KR101746338B1 - Apparatus for absorbing electromagnetic wave - Google Patents

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KR101746338B1
KR101746338B1 KR1020160050240A KR20160050240A KR101746338B1 KR 101746338 B1 KR101746338 B1 KR 101746338B1 KR 1020160050240 A KR1020160050240 A KR 1020160050240A KR 20160050240 A KR20160050240 A KR 20160050240A KR 101746338 B1 KR101746338 B1 KR 101746338B1
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wave absorber
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임성준
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

전자파 흡수기가 개시된다. 전자파 흡수기는 유전기판(substrate) 및 상기 유전기판의 일면에 배열된 복수의 유닛셀(unit cell)을 포함하되, 상기 유니셀은, 중앙에 형성되는 패치(patch) 및 상기 패치 주변에 형성된 적어도 하나의 부채꼴(circular sector)을 포함하는 형상으로 패터닝(patterning)된 것이다.An electromagnetic wave absorber is disclosed. The electromagnetic wave absorber includes a dielectric substrate and a plurality of unit cells arranged on one surface of the dielectric substrate, the unicell having a patch formed at the center and at least one And a pattern including a circular sector of the pattern.

Description

전자파 흡수기{Apparatus for absorbing electromagnetic wave}[0001] Apparatus for absorbing electromagnetic waves [

본 발명은 전자파 흡수기에 관한 것이다.The present invention relates to an electromagnetic wave absorber.

전자기(EM: Electromagnetic) 메타물질(MMs: metamaterials)은 자연계에 존재하지 않는 특성을 가지도록 구현된 인공 물질이다. 예를 들어, 전자기 메타물질은 유전율(permittivity) 또는 투자율(permeability)을 임으로 조절할 수 있다. 또한, 전자기 메타물질은 분할 링 공진기(SPR: Split ring resonator)와 같은 서브 파장 공진기를 주기적으로 배열하여 구현될 수 있다. 이러한 특성 때문에, 슈퍼 렌즈, 소형화된 마이크로 부품 및 메타물질 전자파 흡수기와 같은 전자기 메타물질의 다양한 응용이 보고되어 왔다.Electromagnetic (EM) materials (MMs: metamaterials) are artificial materials that are realized to have properties that do not exist in nature. For example, an electromagnetic metamaterial can modulate permittivity or permeability. Further, the electromagnetic meta-material may be realized by periodically arranging sub-wavelength resonators such as a split ring resonator (SPR). Because of these properties, various applications of electromagnetic metamaterials such as super lenses, miniaturized microcomponents and metamaterial electromagnetic wave absorbers have been reported.

특히, 메타물질 전자파 흡수기는 2008년에 논문(Landy, N. I., Sajuyigbe, S., Mock, J. J., Smith, D. R. & Padilla, W. J. Perfect metamaterial absorber. Phys. Rev. Lett. 100, 1??4 (2008))으로 소개된 이래로 계속 연구되어 왔다. 메타물질 전자파 흡수기는 유효 유전율 및 투자율을 각각 독립적으로 조절하는 전기적 및 자기적 공진을 발생시킨다. 메타물질 전자파 흡수기는 페라이트(ferrite), 웨지드 테이퍼드(wedged-tapered) 흡수기 및 솔리스베리 스크린(salisbury screen) 흡수기와 같은 종래의 전자파 흡수기와 비교하여 특별한 장점을 가지고 있다. 즉, 메타물질 전자파 흡수기는 얇은 유전기판(substrate)에서도 높은 흡수율(absorptivity)을 달성할 수 있다. 게다가, 가변형 전자파 흡수기는 주파수 같은 특성을 조정할 수 있는 장치 또는 물질로 실현될 수 있다. 이와 같은 장점 때문에, 메타물질 전자파 흡수기는 마이크로파 대역에서부터 광학 신호까지 다양한 스펙트럼의 응용에 대하여 연구되어 왔다. In particular, the electromagnetic wave absorber of meta-material was developed in 2008 (Landy, NI, Sajuyigbe, S., Mock, JJ, Smith, DR and Padilla, WJ Perfect metamaterial absorber, Phys. Rev. Lett. )) Have been studied since. The electromagnetic wave absorber of the metamaterial generates electrical and magnetic resonance that independently adjusts the effective permittivity and the permeability. Metamaterial electromagnetic wave absorbers have particular advantages compared to conventional electromagnetic wave absorbers such as ferrite, wedged-tapered absorbers and salisbury screen absorbers. That is, the metamaterial electromagnetic wave absorber can achieve a high absorptivity even on a thin dielectric substrate. In addition, the variable electromagnetic wave absorber can be realized by a device or a material capable of adjusting characteristics such as frequency. Because of these advantages, metamaterial electromagnetic wave absorbers have been studied for various spectral applications from microwave band to optical signals.

메타물질 전자파 흡수기는 공진기의 주기적 배열을 기반으로 하기 때문에, 특정 주파수에 동작하며, 협대역폭을 가진다. 메타물질 전자파 흡수기의 대역폭 증가에 관한 연구가 보고된 바 있다. 일반적으로, 메타물질 전자파 흡수기의 흡수율은 입사각(incident angle)과 편파(polarization)에 영향을 받는다. 편파에 둔감한(insensitive) 메타물질 전자파 흡수기는 수평 및 수직으로 대칭인 유닛셀(unit cell)을 설계함으로써 달성될 수 있다. 편파와 입사각에 둔감한 몇몇의 메타물질 전자파 흡수기가 출현해 왔다.Because the metamaterial electromagnetic wave absorber is based on the periodic arrangement of the resonator, it operates at a specific frequency and has a narrow bandwidth. A study on the bandwidth increase of a metamaterial electromagnetic wave absorber has been reported. In general, the absorption rate of a metamaterial electromagnetic wave absorber is influenced by incident angle and polarization. An insensitive metamaterial electromagnetic wave absorber can be achieved by designing a unit cell that is symmetrical in both horizontal and vertical directions. Some metamaterial electromagnetic absorbers that are insensitive to polarization and incident angle have emerged.

본 발명은 X 밴드 적용을 위하여 입사각과 편파에 둔감한 메타물질 전자파 흡수기를 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a meta-material electromagnetic wave absorber insensitive to incident angle and polarization for X-band application.

본 발명의 일 측면에 따르면, 메타물질(metamaterial)을 이용한 전자파 흡수기가 개시된다.According to an aspect of the present invention, an electromagnetic wave absorber using a metamaterial is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기는 유전기판(substrate) 및 상기 유전기판의 일면에 배열된 복수의 유닛셀(unit cell)을 포함하되, 상기 유니셀은, 중앙에 형성되는 패치(patch) 및 상기 패치 주변에 형성된 적어도 하나의 부채꼴(circular sector)을 포함하는 형상으로 패터닝(patterning)된 것이다.An electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention includes a dielectric substrate and a plurality of unit cells arranged on one surface of the dielectric substrate, And patterned into a shape including at least one circular sector formed around the patch.

상기 패치는 정사각형(square)이며, 상기 유닛셀은, 수평 및 수직으로 대칭이 되도록, 상기 정사각형의 각 꼭지점과 4개의 부채꼴 각각의 중점이 중첩되어 형성된다.The patch is square and the unit cell is formed by superimposing the midpoints of each of the four corners of the square and each of the four sectors so as to be symmetrical in the horizontal and vertical directions.

정사각형 유닛셀의 한 변의 길이, 상기 부채꼴의 반지름 및 상기 정사각형 패치의 한 변의 길이에 따라 공진 주파수가 결정된다.The resonance frequency is determined according to the length of one side of the square unit cell, the radius of the sector, and the length of one side of the square patch.

상기 대칭은 상기 전자파 흡수기의 흡수율(absorptivity)이 편파(polarization)에 둔감하게 하고, 상기 부채꼴은 상기 흡수율이 입사각(incident angle)에 둔감하게 한다.The symmetry makes the absorptivity of the electromagnetic wave absorber insensitive to polarization, and the sector makes the absorptivity insensitive to an incident angle.

상기 입사각에 대한 상기 흡수율의 민감도는 상기 부채꼴의 내부 각도에 따라 달라지되, 상기 부채꼴의 내부 각도는 상기 민감도에 따라 결정된다.The sensitivity of the absorption rate to the incident angle is dependent on the angle of the sector, and the angle of the sector is determined according to the sensitivity.

상기 민감도는 상기 부채꼴의 내부 각도가 90ㅀ일 때 가장 낮다.The sensitivity is lowest when the internal angle of the sector is 90 degrees.

본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기는, 사각형 패치와 사각형 패치 주변에 형성된 부채꼴을 가지는 유닛셀로 구성될 수 있는데, 이러한 유닛셀의 수평 및 수직으로 대칭인 구조로 편파에 둔감하게 될 수 있고, 유닛셀의 부채꼴로 인하여 입사각에 둔감해 질 수 있다.The electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention can be constituted by a square patch and a unit cell having a sector formed around the square patch, which can be insensitive to polarization by a horizontally and vertically symmetrical structure of the unit cell, It can become insensitive to the incident angle due to the fan shape of the unit cell.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 부채꼴 각도에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율 및 정규화된 복소 임피던스에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 전계 규모 분포 및 벡터 전류 분포를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율을 측정하기 위한 실험 시스템을 개략적으로 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 입사각에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 도면.
1 is a view showing an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a simulation result on the absorption rate of a unit cell according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a diagram illustrating a simulation result according to a sector angle of a unit cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a simulation result of absorption rate and normalized complex impedance of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a distribution of an electric field scale and a vector current distribution of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic illustration of an experimental system for measuring the absorption rate of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing simulation results and measurement results on the absorption rate of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention.
8 is a graph showing simulation results and measurement results of absorption coefficients according to incident angles of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprising ", or" comprising "and the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps. Also, the terms "part," " module, "and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software .

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게, 도 1의 (a)는 종래의 십자가(JC: Jerusalem Cross) 유닛셀을 나타낸 도면이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 부채꼴을 가지는 유닛셀을 나타낸 도면이고, 도 1의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 제작 샘플을 나타낸 도면이다.1 is a view showing an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 1 (a) shows a conventional cross cell (JC) unit cell, and FIG. 1 (b) shows a unit cell having a sector of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention. And FIG. 1C is a view showing a sample of the manufacture of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention.

전기적 및 자기적 공진을 발생시키기 위해서는, 이중층의 전도성 구조가 필요하다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 유닛셀의 상부 표면은, 중앙에 정사각형 패치(square patch)(10)가 형성되고, 이 정사각형 패치(10) 주변으로 4개의 부채꼴(circular sector)(20)이 형성되도록 패터닝(patterning)된다. 이때, 유닛셀은 정사각형 패치(10)의 각 꼭지점과 각 부채꼴(20)의 중점이 중첩되도록 형성될 수 있다. 유닛셀의 하부 표면은 전도체로 완전히 덮힌다.In order to generate electrical and magnetic resonance, a double layer conductive structure is required. 1 (b), the upper surface of the unit cell of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention is formed with a square patch 10 at the center, And patterned so as to form four circular sectors 20 in the periphery. At this time, the unit cells may be formed so that the vertexes of the square patches 10 and the midpoints of the sectors 20 overlap each other. The lower surface of the unit cell is completely covered with a conductor.

예를 들어, 도 1의 (b)에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀은, 도 1의 (a)에 도시된 종래의 십자가 공진기의 구조에 기반한다.For example, the unit cell according to the embodiment of the present invention shown in Fig. 1 (b) is based on the structure of the conventional cross resonator shown in Fig. 1 (a).

종래의 십자가 공진기와 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀은 둘 다 대칭 구조이기 때문에, 편파에 둔감하다. 그러나, 십자가 유닛셀의 흡수율은 입사각에 따라 변한다. 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 부채꼴(20)은 입사각에 대하여 흡수율이 둔감하게 한다.The conventional cross resonator and the unit cell according to the embodiment of the present invention are both insensitive to polarization due to the symmetrical structure. However, the absorption rate of the cross unit cell varies depending on the incident angle. On the other hand, the sector 20 of the unit cell according to the embodiment of the present invention is insensitive to the incident angle.

예를 들어, 이는 전자기 시뮬레이션을 이용하여 증명될 수 있으며, 이를 실험적으로 보여주기 위하여, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기는 43ⅹ43 유닛셀을 가지도록 저가격의 FR4 유전기판 위에 제작될 수 있다. 여기서, FR4 유전기판은 4.4의 유전율, 0.02의 유전 손실(dielectric loss) 및 1mm의 두께를 가질 수 있다. 도 1의 (c)에 도시된 전자파 흡수기 샘플의 전체 사이즈는 252 mm ㅧ 252 mm가 될 수 있다.For example, this can be demonstrated using electromagnetic simulation, and in order to experimentally show it, as shown in Fig. 1 (c), the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention has a 43 x 43 unit cell Can be fabricated on low cost FR4 dielectric substrates. Here, the FR4 dielectric substrate may have a dielectric constant of 4.4, a dielectric loss of 0.02, and a thickness of 1 mm. The total size of the electromagnetic wave absorber sample shown in FIG. 1 (c) can be 252 mm 252 mm.

전자파가 메타물질 전자파 흡수기로 입사될 때, 경계의 불연속으로 인하여 반사파와 투과파가 존재하게 된다. 흡수율(A)는 하기 수학식을 이용하여 반사 계수(Γ)와 투과 계수(Τ)로부터 산출될 수 있다.When an electromagnetic wave is incident on a metamaterial electromagnetic wave absorber, reflected waves and transmitted waves exist due to the discontinuity of the boundary. The absorption coefficient A can be calculated from the reflection coefficient G and the transmission coefficient T using the following equation.

Figure 112016039654402-pat00001
Figure 112016039654402-pat00001

그러므로, 완벽한 흡수율은 반사 계수와 투과 계수가 모두 영(0)일 때, 달성될 수 있다.Therefore, a perfect absorption rate can be achieved when both the reflection coefficient and the transmission coefficient are zero.

수직 입사(normal incidence) 하에서, 반사 계수는 하기의 수학식으로 주어질 수 있다.Under normal incidence, the reflection coefficient can be given by the following equation.

Figure 112016039654402-pat00002
Figure 112016039654402-pat00002

여기서, ZM(ω)와 Z0는 각각 메타물질 전자파 흡수기 및 자유 공간(free space)의 임피던스이다. 수학식 2로부터, ZM(ω)와 Z0가 일치할 때, 반사 계수가 영이 되는 것을 알 수 있다. ZM(ω)는 하기 수학식과 같이, 유효 유전율(εM)과 투자율(μM)을 조정(tailoring)함으로써, 제어될 수 있다.Here, Z M (?) And Z 0 are the impedances of the metamaterial electromagnetic wave absorber and free space, respectively. From Equation (2), it can be seen that when Z M (?) Coincides with Z 0 , the reflection coefficient becomes zero. Z M (?) Can be controlled by tailoring the effective permittivity (? M ) and the magnetic permeability (占M ) as shown in the following equation.

Figure 112016039654402-pat00003
Figure 112016039654402-pat00003

여기서, ε0와 μ0는 각각 자유 공간에서의 유전율 및 투자율이고, εr와 μr는 각각 상대 유전율 및 투자율이다. 자유 공간과 메타물질 전자파 흡수기 사이의 임피던스 매칭 후에, 투과 계수는 상당한 유전 손실을 가지는 투과파를 소멸시킴으로써, 최소화될 수 있다. 메타물질 전자파 흡수기의 손실 계수(loss factor)는 굴절율(n)의 허수 부분이 크기 때문에, 크다. 그러므로, 반사 계수와 투과 계수가 제로인 메타물질 전자파 흡수기를 설계함으로써, 높은 흡수율이 달성될 수 있다.Here, ε 0 and μ 0 are permittivity and permeability in free space, respectively, and ε r and μ r are relative permittivity and permeability, respectively. After impedance matching between the free space and the metamaterial electromagnetic wave absorber, the transmission coefficient can be minimized by destroying the transmission wave with a considerable dielectric loss. The loss factor of the metamaterial electromagnetic wave absorber is large because the imaginary part of the refractive index n is large. Therefore, by designing a meta-material electromagnetic wave absorber having a reflection coefficient and a transmission coefficient of zero, a high absorption rate can be achieved.

하지만, 제로 반사 조건은, 수직 편파(Γ)와 병렬 편파(Γ)에 대한 반사 조건이 하기 수학식으로 주어지기 때문에, 경사 입사(oblique incidence)에 대하여 변한다.However, zero-reflection condition, since the reflection conditions for the vertically polarized wave (Γ ⊥) and parallel polarization (Γ ∥) is given by the following equation, varies with respect to off-axis (oblique incidence).

Figure 112016039654402-pat00004
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Figure 112016039654402-pat00005
Figure 112016039654402-pat00005

비록, 메타물질 전자파 흡수기가 수직 입사(normal incidence) 하에서 완벽한 흡수율을 보여주더라도, 수학식 2, 4 및 5와 같이, 입사각이 변하면, 흡수율도 변한다. 따라서, 입사각에 둔감한 메타물질 전자파 흡수기를 획득하기 위해서는, 입사각에 둔감한 유닛셀이 반드시 설계되어야 한다.Even if the metamaterial electromagnetic wave absorber shows a perfect absorption rate under normal incidence, as the incidence angle changes, the absorption rate also changes, as shown in Equations (2), (4) and (5). Therefore, in order to obtain a metamaterial electromagnetic wave absorber insensitive to an incident angle, a unit cell insensitive to an incident angle must be designed.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a graph showing a simulation result of the absorption rate of a unit cell according to an embodiment of the present invention.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀을 설계하기 위하여, 미터법에 따른 3개의 파라미터(a, b, c)와 하나의 각도 파라미터(α)는 전자기 시뮬레이션을 이용하여 결정될 수 있다.As shown in Fig. 1 (b), in order to design a unit cell according to an embodiment of the present invention, three parameters a, b, c according to the metric method and one angle parameter? . ≪ / RTI >

예를 들어, a는 정사각형 유닛셀의 한 변의 길이이고, b는 부채꼴(20)의 반지름이고, c는 중앙의 정사각형 패치(10)의 한 변의 길이일 뿐만 아니라, 각 부채꼴 사이의 거리를 나타내고, α는 부채꼴(20)의 내부 각도이다.For example, a is the length of one side of the square unit cell, b is the radius of the sector 20, c is not only the length of one side of the central square patch 10, but also the distance between each sector, is the inner angle of the sector 20.

도 2에는, a, b 및 c 파라미터의 값에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, a가 증가할 때, 공진 주파수가 증가하고, 흡수율이 조금 증가한다. 그리고, 공진 주파수는 b가 더 커지면, 유효 투자율이 높기 때문에 감소한다. c가 더 커지면, 유효 유전율이 더 작아지고, 공진 주파수는 증가한다. 따라서, 파라미터 a, b 및 c는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 공진 주파수를 결정할 수 있다.In Fig. 2, simulation results are shown for the absorption rates according to the values of the a, b and c parameters. Referring to FIG. 2, when a increases, the resonant frequency increases and the absorption rate slightly increases. The resonance frequency decreases as b becomes larger because the effective permeability is high. When c is larger, the effective permittivity becomes smaller and the resonant frequency increases. Therefore, the parameters a, b, and c can determine the resonant frequency of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 부채꼴 각도에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view showing a simulation result according to a sector angle of a unit cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 유닛셀의 부채꼴은 입사각 둔감을 위하여 적용된다. 특히, 부채꼴의 내부 각도(α)는 입사각 둔감에 영향을 준다. 이를 보여주기 위하여, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 6개의 유닛셀은 각각 α가 서로 다른 값(40

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, 50
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, 60
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, 70
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, 80
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, 90
Figure 112016039654402-pat00011
)을 가지도록 설계되었다. 그리고, 입사각은 0
Figure 112016039654402-pat00012
및 60
Figure 112016039654402-pat00013
로 설정되어 흡수율이 시뮬레이션 되었다. α와 입사각 민감도 사이의 관계를 나타내기 위하여, 입사각 민감도(SA)는 하기의 수학식으로 정의되었다.A sector of a unit cell according to an embodiment of the present invention is applied for insensitivity to an incident angle. In particular, the internal angle of the sector (?) Affects the incidence angle insensitivity. In order to show this, as shown in Fig. 3 (a), the six unit cells are arranged such that each has a different value 40
Figure 112016039654402-pat00006
, 50
Figure 112016039654402-pat00007
, 60
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, 70
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, 80
Figure 112016039654402-pat00010
, 90
Figure 112016039654402-pat00011
). The incident angle is 0
Figure 112016039654402-pat00012
And 60
Figure 112016039654402-pat00013
And the absorption rate was simulated. In order to show the relation between? and the incident angle sensitivity, the incident angle sensitivity (S A ) was defined by the following equation.

Figure 112016039654402-pat00014
Figure 112016039654402-pat00014

여기서, fθ와 f0ㅀ는 각각 입사각 θ 및 수직 입사에서의 공진 주파수이고, A(θ, fθ)는 입사각 θ와 공진 주파수 fθ에서의 흡수율이고, A(0

Figure 112016039654402-pat00015
, f0ㅀ)는 입사각 0
Figure 112016039654402-pat00016
와 공진 주파수 f0ㅀ에서의 흡수율이다.Here, θ f and f are each 0 DEG angle of incidence θ and the resonance frequency at normal incidence, A (θ, f θ) is the absorption at incident angle θ and the resonance frequency f θ, A (0
Figure 112016039654402-pat00015
, f 0 ㅀ ) is the angle of incidence 0
Figure 112016039654402-pat00016
And the absorption rate at the resonance frequency f 0 ..

도 3의 (b)는 α가 40

Figure 112016039654402-pat00017
에서 90
Figure 112016039654402-pat00018
로 변할 때의 SA(60
Figure 112016039654402-pat00019
)를 보여주고 있다. α가 90
Figure 112016039654402-pat00020
일 때, f60ㅀ와 f0ㅀ는 각각 10.45GHz 및 10.44GHz이다. 그리고, A(60
Figure 112016039654402-pat00021
, f60ㅀ)와 A(0
Figure 112016039654402-pat00022
, f0ㅀ)는 각각 0.99 및 0.91이다. 따라서, α=90
Figure 112016039654402-pat00023
에서 가장 낮은 입사각 민감도가 관찰된다.FIG. 3 (b)
Figure 112016039654402-pat00017
To 90
Figure 112016039654402-pat00018
S (60 < / RTI >
Figure 112016039654402-pat00019
). alpha is 90
Figure 112016039654402-pat00020
, F 60 ㅀ and f 0 ㅀ are 10.45 GHz and 10.44 GHz, respectively. And, A (60
Figure 112016039654402-pat00021
, f 60 ㅀ ) and A (0
Figure 112016039654402-pat00022
, f 0 ㅀ ) are 0.99 and 0.91, respectively. Therefore,? = 90
Figure 112016039654402-pat00023
The lowest incident angle sensitivity is observed.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율 및 정규화된 복소 임피던스에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 보다 상세하게는, 도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 반사 계수, 투과 계수 및 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 4의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 고유 복소 임피던스를 수직 입사 하에서 자유 공간의 임피던스로 정규화한 것을 나타낸다.4 is a graph showing a simulation result of the absorption rate and the normalized complex impedance of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 4A shows simulation results of the reflection coefficient, the transmission coefficient, and the absorption coefficient of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4B shows the results of simulation according to the embodiment of the present invention And shows that the intrinsic complex impedance of the electromagnetic wave absorber is normalized to the impedance of free space under normal incidence.

도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기는 10.44GHz에서 91%의 흡수율을 나타내는 것을 알 수 있다. 정규화된 임피던스의 실수부가 1보다 크기 때문에, 흡수율은 100%가 아니다. 흡수율이 수직 입사 하에서 100%가 될 수 있더라도, 유닛셀은 0

Figure 112016039654402-pat00024
에서 70
Figure 112016039654402-pat00025
까지의 입사각에 대하여 흡수율이 90% 보다 더 높아지도록 설계된다.Referring to FIG. 4 (a), it can be seen that the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention exhibits an absorption rate of 91% at 10.44 GHz. Since the real part of the normalized impedance is larger than 1, the absorption rate is not 100%. Even if the absorption rate can be 100% under normal incidence, the unit cell is 0
Figure 112016039654402-pat00024
From 70
Figure 112016039654402-pat00025
The absorption rate is designed to be higher than 90%.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 전계 규모 분포 및 벡터 전류 분포를 나타낸 도면이다. 도 5는, 전자기 공진을 보기 위하여, 10.44GHz에서의 (a) 전계 규모 분포 및 (b) 상부, 하부 및 측면의 벡터 전류 분포를 나타낸 것이다.FIG. 5 is a diagram showing the electric field scale distribution and the vector current distribution of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention. Figure 5 shows (a) the field-scale distribution at 10.44 GHz and (b) the vector current distribution at the top, bottom and sides, for electromagnetic resonance.

도 5의 (a)를 참조하면, 전계는 부채꼴의 가장자리에 집중되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 (a), it can be seen that the electric field is concentrated on the edge of the sector.

도 5의 (b)를 참조하면, 표면 전류 밀도로부터의 자기 공진이 관찰된다. 여기서, 두 금속층에 흐르는 표면 전류는 서로 반대 방향으로 흐른다.Referring to Fig. 5 (b), self resonance from the surface current density is observed. Here, the surface currents flowing through the two metal layers flow in opposite directions to each other.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율을 측정하기 위한 실험 시스템을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a schematic illustration of an experimental system for measuring the absorption rate of an electromagnetic wave absorber according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a graph showing simulation results and measurement results of the absorption rate of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention FIG.

설계되는 메타물질 전자파 흡수기는 43ⅹ43 유닛셀을 가지도록 FR4 유전기판 위에서 제작된다. 도 1의 (c)에 도시된 제작된 메타물질 전자파 흡수기의 흡수율은 자유 공간에서 측정된다.The designed metamaterial electromagnetic absorber is fabricated on a FR4 dielectric substrate to have a 43 × 43 unit cell. The absorption rate of the manufactured meta-material electromagnetic wave absorber shown in Fig. 1 (c) is measured in free space.

도 6을 참조하면, 두 표준 이득 혼 안테나(standard-gain horn antenna)는 전송 및 수신 안테나로 사용된다. 이 표준 이득 혼 안테나는 원거리장 조건(far-field condition)을 충족시키기 위하여, 전자파 흡수기 샘플로부터 1m 거리에 위치한다. S 파라미터는 Anritsu MS2038C 네트워크 분석기에 의하여 측정되며, 흡수율은 이 S 파라미터로부터 계산된다. 전자파 흡수기 샘플로부터의 반사파만 측정하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 웨지드 테이퍼드(wedged-tapered) 전자파 흡수기가 전자파 흡수기 샘플 주변에 사용되고, 네트워크 분석기의 time-gaiting function이 사용된다. 수직 입사 하에서, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율은 각기 다른 편파 각도(φ)에서 측정된다.Referring to FIG. 6, two standard-gain horn antennas are used as transmit and receive antennas. This standard gain horn antenna is located 1 meter from the sample of the electromagnetic wave absorber to meet the far-field condition. The S parameter is measured by an Anritsu MS2038C network analyzer and the absorption rate is calculated from this S parameter. To measure only the reflected wave from the electromagnetic wave absorber sample, a wedged-tapered electromagnetic wave absorber is used around the electromagnetic wave absorber sample, as shown in FIG. 6, and the time-gaiting function of the network analyzer is used. Under normal incidence, the absorption rate of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention is measured at different polarization angles phi.

도 7의 (a)와 (b) 각각에는, 편파 각도(φ)가 0

Figure 112016039654402-pat00026
에서 90
Figure 112016039654402-pat00027
로 변할 때, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율에 대한 시뮬레이션 결과 및 측정 결과가 도시되어 있다.7 (a) and 7 (b), when the polarization angle φ is 0
Figure 112016039654402-pat00026
To 90
Figure 112016039654402-pat00027
The simulation result and the measurement result of the absorption rate of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention are shown.

도 7을 참조하면, 측정된 흡수율은 모든 편파에 대하여 10.44GHz에서 대부분 100%이다. 흡수 주파수는 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 동일하다. 측정된 흡수율은 시뮬레이션된 흡수율보다 더 높은데, 이는 FR4 유전기판의 유전 손실이 더 높기 때문이다.Referring to FIG. 7, the measured absorption rate is mostly 100% at 10.44 GHz for all polarizations. The absorption frequency is the same as the simulation result. The measured absorption rate is higher than the simulated absorption rate because the dielectric loss of the FR4 dielectric substrate is higher.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 흡수율은 다른 입사각(θ)에서 각각 측정되었다. 전송용 혼 안테나는 0

Figure 112016039654402-pat00028
에서 70
Figure 112016039654402-pat00029
사이에서 회전한다. 각 입사각에서, 수신용 혼 안테나는 스넬의 법칙(Snell's law)과 측정된 S 파라미터를 충족하는 각도에 위치된다. TE 모드와 TM 모드에 대한 반사 계수는 다르기 때문에, 경사 입사(oblique incidence)에서의 흡수율은 TE 모드와 TM 모드 둘 다에 대하여 측정된다.Next, the absorption coefficients of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention were measured at different incident angles?, Respectively. The transmission horn antenna is 0
Figure 112016039654402-pat00028
From 70
Figure 112016039654402-pat00029
. At each incident angle, the receiving horn antenna is located at an angle that meets Snell's law and the measured S parameter. Since the reflection coefficients for the TE mode and the TM mode are different, the absorption rate at oblique incidence is measured for both the TE mode and the TM mode.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기의 입사각에 따른 흡수율에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a graph showing simulation results and measurement results of the absorption rate according to the incident angle of the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention.

도 8의 (a) 및 (b)는, 입사각(θ)이 0

Figure 112016039654402-pat00030
에서 70
Figure 112016039654402-pat00031
로 변할 때, 각각 TE 모드 및 TM 모드 각각에 대한 흡수율의 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 시뮬레이션로 산출된 흡수율은 90%보다 더 높고, 주파수 변화는 70
Figure 112016039654402-pat00032
까지의 입사각에 대하여 0.96%보다 작았다.8 (a) and 8 (b) show a case where the incident angle? Is 0
Figure 112016039654402-pat00030
From 70
Figure 112016039654402-pat00031
, The simulation result of the absorption rate for each of the TE mode and the TM mode is shown in a graph. The absorption rate calculated by simulation is higher than 90%, and the frequency change is 70
Figure 112016039654402-pat00032
Of the incident angle up to 0.96%.

도 8의 (c)를 참조하면, TE 모드에 대하여 10.44GHz에서 측정된 흡수율은 입사각(θ)이 0

Figure 112016039654402-pat00033
에서 60
Figure 112016039654402-pat00034
로 변할 때, 90%보다 더 높았다. 그리고, 입사각이 70
Figure 112016039654402-pat00035
일 때의 흡수율은 75%로 감소하였다. 흡수율 주파수는 0
Figure 112016039654402-pat00036
에서 70
Figure 112016039654402-pat00037
사이에서 변화가 없었다.Referring to FIG. 8 (c), the absorption rate measured at 10.44 GHz for the TE mode is 0
Figure 112016039654402-pat00033
From 60
Figure 112016039654402-pat00034
, It was higher than 90%. When the incident angle is 70
Figure 112016039654402-pat00035
The absorption rate decreased to 75%. The absorption rate frequency is 0
Figure 112016039654402-pat00036
From 70
Figure 112016039654402-pat00037
There was no change between.

도 8의 (d)를 참조하면, TM 모드에 대하여 10.44GHz에서 측정된 흡수율은 입사각(θ)이 0

Figure 112016039654402-pat00038
에서 60
Figure 112016039654402-pat00039
로 변할 때, 90%보다 더 높았다. 그리고, 입사각이 70
Figure 112016039654402-pat00040
일 때의 흡수율은 80%로 감소하였다. 흡수율 주파수의 변화는 0
Figure 112016039654402-pat00041
에서 70
Figure 112016039654402-pat00042
사이에서 0.86%이었다.Referring to FIG. 8 (d), the absorption rate measured at 10.44 GHz for the TM mode is 0
Figure 112016039654402-pat00038
From 60
Figure 112016039654402-pat00039
, It was higher than 90%. When the incident angle is 70
Figure 112016039654402-pat00040
The absorption rate decreased to 80%. The change of the absorption rate frequency is 0
Figure 112016039654402-pat00041
From 70
Figure 112016039654402-pat00042
Respectively.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 흡수기는, 측정된 입사각 둔감도가 시뮬레이션 결과와 비교하여 약간 감소하였으나, 60

Figure 112016039654402-pat00043
까지의 입사각에 대하여 90%보다 더 높은 흡수율을 달성할 수 있다.Therefore, in the electromagnetic wave absorber according to the embodiment of the present invention, the measured incidence insensitivity was slightly reduced as compared with the simulation result,
Figure 112016039654402-pat00043
A higher absorption rate than 90% can be achieved.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (6)

메타물질(metamaterial)을 이용한 전자파 흡수기에 있어서,
유전기판(substrate); 및
상기 유전기판의 일면에 배열된 복수의 유닛셀(unit cell)을 포함하되,
상기 유닛셀은,
중앙에 형성되는 정사각형(square) 패치(patch); 및
상기 정사각형 패치 주변에 형성된 4개의 부채꼴(circular sector)을 포함하는 형상으로 패터닝(patterning)되고,
상기 유닛셀은, 수평 및 수직으로 대칭이 되도록, 상기 정사각형 패치의 각 꼭지점과 상기 4개의 부채꼴 각각의 중점이 중첩되어 형성되며,
상기 대칭은 상기 전자파 흡수기의 흡수율(absorptivity)이 편파(polarization)에 둔감하게 하고, 상기 부채꼴은 상기 흡수율이 입사각(incident angle)에 둔감하게 하고,
상기 입사각에 대한 상기 흡수율의 민감도는 상기 부채꼴의 내부 각도에 따라 달라지되,
상기 부채꼴의 내부 각도는 상기 민감도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수기.
In an electromagnetic wave absorber using a metamaterial,
A dielectric substrate; And
And a plurality of unit cells arranged on one surface of the dielectric substrate,
The unit cell includes:
A square patch formed in the center; And
Patterned into a shape including four circular sectors formed around the square patch,
The unit cell is formed by superimposing the midpoints of each of the four corners of the square patch and the vertices of each of the four sectors so as to be symmetrical in the horizontal and vertical directions,
The symmetry causes the absorptivity of the electromagnetic wave absorber to be insensitive to polarization, the sector makes the absorptivity insensitive to an incident angle,
Wherein the sensitivity of the absorption rate to the incident angle is dependent on an internal angle of the sector,
Wherein an internal angle of the sector is determined according to the sensitivity.
삭제delete 제1항에 있어서,
정사각형 유닛셀의 한 변의 길이, 상기 부채꼴의 반지름 및 상기 정사각형 패치의 한 변의 길이에 따라 공진 주파수가 결정되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수기.
The method according to claim 1,
Wherein the resonance frequency is determined according to the length of one side of the square unit cell, the radius of the sector, and the length of one side of the square patch.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 민감도는 상기 부채꼴의 내부 각도가 90°일 때 가장 낮은 것을 특징으로 하는 전자파 흡수기.


The method according to claim 1,
Wherein the sensitivity is lowest when the internal angle of the sector is 90 °.


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