KR101758917B1 - 전자파 잔향실 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파 잔향실에 관한 것으로, 실내의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 전자파 흡수 장치가 설치되며 전자파 흡수 장치는 전자파 저지대 구조를 가지고, 이처럼 전자파저지대와 같은 주기 구조 기술을 응용한 소형 및 박형의 전자파 흡수 장치를 포함하는 전자파 잔향실을 제공함으로써 사용자가 더 넓은 내부 공간을 활용할 수 있게 하여 다양한 크기의 시험기기를 테스트할 수 있게 하고 동일 시험기기에 대해 더 적은 공간이 요구되므로 전자파 잔향실의 제작비를 크게 절감할 수 있는 이점이 있다.

Description

전자파 잔향실{ELECTROMAGNETIC WAVE REVERBERATION CHAMBER}
본 발명은 전자파 잔향실에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자파 저지대(EBG, Electromagnetic bandgap)와 같은 주기 구조 기술을 적용한 전자파 흡수 장치를 포함하는 전자파 잔향실에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, IT의 급속한 발전과 인간의 통신 욕구가 증대하면서 휴대용 단말기 등 무선 통신기기 들은 현대인의 필수품이 되었다. 그러나 이러한 휴대기기의 사용이 늘어남에 따라 단말기에서 발생하는 전자기파가 인체에 미치는 영향도 중요한 이슈가 되고 있다. 현재로서는 휴대폰이 사용하는 주파수 대역에서의 전자파와 인체에 미치는 영향에 대한 연관성은 명확히 밝혀지지 않았으나 백혈병, 뇌종양, 두통, 시력저하, 인체에 누적된 경우 뇌파 혼란 초래, 남성 생식기능 파괴 등 각종 질병에 영향을 미칠 가능성이 있다고 보고되고 있다. 또한, 원하지 않는 전자파에 의한 정보통신기기 간의 오동작 사례가 꾸준히 보고되고 있으며, 이는 EMI/EMC 문제로서 불요 전자파로 인한 기기 상호간 장해 현상을 방지하기 위해 전기 전자 통신 기기의 불요 전자파 허용 기준치와 측정 방법을 규정하고 있다. 또한, 이를 만족하기 위해서는 설계 제작 단계부터 EMC를 고려해야 하며, 제품이 판매되기 위해서는 EMC 테스트를 만족시켜야 한다.
전자파 장해 및 복사 내성 측정을 위한 대용 시험 시설로써 전자파 잔향실(Reverberation chamber)이 이미 미국 표준과학연구원(NIST: National Institute Standards and Technology)의 연구 결과로 발표되었으며, 국제 전자파 장해 특별 위원회(CISPR: International Special Committee on Radio Interference)는 IEC 61000-4-21에서 전자파 잔향실에 대한 사양을 규정하였다.
전자파 잔향실은 전자파 무향실(anechoic chamber)과는 대조적으로 실 내부의 모든 벽면에서 가능한 전파를 흡수하지 않게 하여 실 내부에서 전자파가 적정 잔향 시간과 확산성을 갖도록 만든 측정실이며, 실 내부의 전 공간에서 전자파의 세기가 균일하고 공간 내 임의의 위치에서 전자파의 진행 방향이 모든 방향으로 균일하게 전파되어야 하는 조건을 만족시키는 실을 의미한다. 따라서, 전자파 무향실은 모든 벽면에 전자파 흡수체를 사용하여 전자파를 최대한 흡수하여야 하지만, 전자파 잔향실은 모든 벽면에서 최대한 반사를 일으켜야 하므로 벽면에는 전자파 흡수체가 필요하지 않고 일반적으로 금속 벽면을 설치하여 제작하게 된다. 전자파 잔향실은 일반적으로 잔향실의 하한 주파수(LUF: Lowest Usable High Frequency)를 낮추기 위해 스터러(Stirrer) 사용하여 전기장의 균일도를 확보한다. 전기장의 균일도는 잔향실 내 발생 가능한 총 모드 수, 잔향실 제작을 위해 사용된 매질의 Q-팩터(factor), 스터러의 효율 등에 의해 결정될 수 있다.
한편, 최근 이러한 전자파 무향실의 성능을 결정하는 요인 이외에 전자파 흡수체를 사용하여 성능을 향상시키는 기술이 보고되고 있다.
도 1은 일반적인 전자파 잔향실의 외부 모습을 보여주는 도면이며, 도 2는 종래 기술에 따른 전자파 잔향실의 내부 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 전자파 잔향실은 다면체의 형태로 제작이 가능하지만 일반적으로 직육면체의 형태를 가지며, 내부 모든 벽면이 전자파의 전반사를 위해 금속 도체로 되어 있고, 내부의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 스터러와 피라미달(pyramidal) 전자파 흡수체가 설치된다. 피라미달 전자파 흡수체는 실 내부 전자파의 반사 특성을 개선하여 더 균일한 전기장 분포를 얻어내며, 사용되는 흡수체의 위치, 크기, 그리고 전자파 흡수율 등이 전자파 잔향실의 전체 성능에 영향을 미치는 요인이 된다.
그러나 종래 기술에 따른 피라미달 전자파 흡수체는 사이즈가 크기 때문에 전자파 잔향실 내부의 활용 공간이 작아지게 되므로 측정이 필요한 다양한 피 시험기기에 대해 적합하지 않다. 이럴 경우, 전자파 잔향실을 더 크게 만들어야 하기 때문에 제작 비용이 많이 들게 되고 설치 공간도 더 커야 하는 문제가 발생한다.
또한, 종래 기술에 따른 피라미달 전자파 흡수체는 흡수 특성을 갖도록 조성된 재료에 의한 것이며, 일반적으로 시행착오법에 의해 개발되기 때문에 그 제조 과정이 복잡할 뿐만 아니라 흡수 주파수 대역 및 흡수 특성을 쉽게 조정하기에 상당한 어려움이 있는 문제점이 있다.
한편, 종래 기술에 따른 전자파 흡수체의 다른 예로서, λ/4형 전자파 흡수체(λ/4 wave absorber) 또는 솔즈베리 스크린(Salisbury screen)과 같은 평판형의 공진형 전자파 흡수체(resonant absorber)가 있다.
공진형 전자파 흡수체는, 저항 피막(resistive sheet)과 유전체 스페이서(spacer) 및 금속도체 접지면으로 이루어져 그 구성이 간단하여 제작이 쉽고 흡수 성능 조정이 용이할 뿐만 아니라, 다층으로 구성할 경우 다중 대역 흡수 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래 기술에 따른 공진형 전자파 흡수체는 금속도체 접지면으로부터 유전체 스페이서의 두께가 적어도 λ/4 이상이어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 전자파 저지대와 같은 주기 구조 기술을 응용한 소형 및 박형의 전자파 흡수 장치를 포함하는 전자파 잔향실을 제공한다.
본 발명의 일 관점으로서 전자파 잔향실은, 실내의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 전자파 흡수 장치가 설치되며, 상기 전자파 흡수 장치는 전자파 저지대 구조를 가질 수 있다.
여기서, 상기 전자파 흡수 장치는, 복수의 단위셀이 주기적으로 배열되고, 상기 단위셀은, 금속 도체층과, 상기 금속 도체층 위에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 위에 저항성 재질로 형성된 단위셀 패턴을 포함할 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 복수의 단위셀이 주기적으로 배열되고, 상기 단위셀은, 금속 도체층과, 상기 금속 도체층 위에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 위에 금속 재질로 형성된 단위셀 패턴과, 상기 단위셀 패턴 위에 형성된 저항 피막을 포함할 수 있다.
상기 단위셀 패턴은, 다각형, 원형 또는 루프형 중에서 적어도 하나 이상의 형태를 포함할 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 주기적으로 배열되어 서로 인접한 상기 단위셀의 상기 단위셀 패턴들이 서로 다른 표면 저항 값을 가질 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 단위셀을 주기적으로 배열할 때에 서로 인접한 상기 단위셀 패턴의 구조 또는 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상이 서로 다르게 배치되도록 교대로 배치할 수 있다.
상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태로 중앙에 위치하는 기본 패치와, 일정한 각도에 의해 상기 기본 패치의 상측, 하측, 좌측 및 우측의 각 중앙에 일정 간격을 두고 상기 기본 패치와 맞물려 배치된 반 직교다이폴 패치를 포함할 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 기본 패치는, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 반 직교다이폴 패치는, 외곽변의 중앙에 반 직교다이폴 구조의 제 3 슬롯이 형성될 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성되며, 상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성되며, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯이 형성되고, 상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다.
상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치가 각각 다른 표면 저항 값을 가질 수 있다.
상기 구조 파라미터는, 상기 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 상기 반 직교다이폴 패치의 상기 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 상기 반 직교다이폴 패치에서 상기 기본 패치와 맞물려 있는 부분 중 상기 기본 패치와 평행한 방향인 변의 길이, 상기 기본 패치에서 정사각형의 한 변의 길이, 상기 단위셀 패턴의 두께 또는 상기 반 직교다이폴 패치에서 상기 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 전자파저지대와 같은 주기 구조 기술을 응용한 소형 및 박형의 전자파 흡수 장치를 포함하는 전자파 잔향실에 제공함으로써 전자파 잔향실 내부의 전자파 반사 특성을 개선할 수 있다. 잔향실 내부 전공간에서 전자파의 세기가 균일하고 진행 방향이 모든 방향으로 균일하도록 할 수 있음은 물론이고, 소형의 크기이기 때문에 전자파 잔향실 내부의 활용 공간을 넓히는 효과가 있다.
따라서, 사용자가 더 넓은 내부 공간을 활용할 수 있게 하여 다양한 크기의 시험기기를 테스트할 수 있게 하고 동일 시험기기에 대해 더 적은 공간이 요구되므로 전자파 잔향실의 제작비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전자파 잔향실의 외부 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 피라미달 전자파 흡수체를 포함하는 전자파 잔향실의 내부 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 개념을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치에 적용할 수 있는 단위셀 패턴의 구조와 설계 변수를 나타낸 도면이다.
도 6는 도 5의 단위셀 패턴 구조를 가지는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 대역과 흡수 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단위셀 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 실시 예에 따른 단위셀 패턴을 주기적으로 배열하여 제작한 전자파 흡수 장치를 나타낸 도면이다.
도 9은 도 8에 나타낸 전자파 흡수 장치의 흡수 성능 및 대역폭에 대한 예측치와 실제 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8의 전자파 흡수 장치에서 단위셀 패턴의 표면 저항값을 변화시켜가며 시뮬레이션 한 흡수 성능 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단위셀 패턴의 구조를 나타낸 도면이다.
도 12은 도 11에 나타낸 단위셀 패턴의 설계 파라미터 중에서 제 3 슬롯의 크기를 결정하는 한 변의 길이 x를 변화해가며 시뮬레이션 한 흡수 성능 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 7에 나타낸 단위셀 패턴에서 반 직교다이폴 패치의 표면 저항을 기존 설계값으로 고정시킨 상태에서 기본 패치의 표면 저항을 변화시켜 가며 계산한 전자파 흡수 장치의 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 13에서 기본 패치의 표면 저항 값이 특정 값일 때의 전자파 흡수 장치를 제작하여 측정한 결과를 계산 결과와 비교한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 전자파저지대와 같은 주기 구조 기술을 응용하여 박형의 전자파 흡수 장치를 포함하는 전자파 잔향실을 제공한다. 전자파저지대는 주기 구조 응용 기술의 하나로써 일반적인 전기도체(electric conductor) 상에 의도된 특정 단위셀 패턴을 일정 간격으로 주기적으로 배열하여 구현할 수 있으며, 그 표면에서는 특정 대역에서 자기장의 접선 성분이 0이 되어 표면상에 전류가 흐를 수 없는 특성을 갖는다. 이는 일반적인 전기도체와는 정반대가 되는 개념으로 자기도체(magnetic conductor)라 할 수 있으며, 전자파저지대 표면은 회로적으로 고임피던스 표면(HIS, High Impedance Surface)이 된다.
전자파저지대의 주파수 응답 특성은 반사 위상(reflection phase)을 통해 확인할 수 있는데, 반사 위상은 전자파저지대 표면에 입사하는 입사파와 전자파 표면에 의한 반사파와의 위상 차이를 의미한다. 전자파저지대의 반사 위상은 바로 고임피던스 표면이 되는 공진 주파수에서 0이 되고 공진 주파수를 중심으로 주변 대역에서 -180도부터 +180도까지 변화하는데 전자파저지대의 구조적 파라미터를 조정하면 그 위상을 변화시킬 수 있다.
일반적인 전자파 저지대의 구조에서 금속도체 접지면을 제외한 유전체층과 단위셀 패턴의 배열 층은 주파수 선택 표면(FSS, Frequency Selective Surface)의 일반적인 구조로서 주파수 선택 표면 기술은 원하는 주파수를 선택적으로 투과 또는 반사시키기 위해 인위적으로 특정 단위셀 패턴을 주기적으로 배열하여 만든 표면이다. 따라서 전자파저지대는 주파수 선택 표면에 의한 특정 주파수 필터링 특성에 대해 금속도체 접지면을 비치함으로써 전파의 진행을 완전 차단함은 물론 앞서 기술한 고유의 물리적 특성을 갖게 된다.
한편, 이러한 주기 구조 응용 기술인 주파수 선택 표면을 평판형의 공진형 전자파 흡수체에 적용하면 주파수 선택 표면 고유의 전자기적 성질로 인해 두께 조정 및 흡수 성능 조정이 가능하다. 즉 저항 피막과 유전체 스페이서 및 금속도체 접지면으로 이루어진 공진형 전자파 흡수체를 대상으로 하여 유전체 스페이서와 저항 피막 사이에 상술한 주기 구조 응용 기술인 주파수 선택 표면을 삽입한다. 이렇게 형성된 전자파 흡수체는 전자파저지대의 구조에 저항 피막을 더한 구조이며, 단위셀 패턴 자체를 금속도체에서 저항성 재질로 설계 및 제작하면 그러한 저항성 전자파 저지대 자체가 좀 더 단순한 전자파 흡수체로 동작할 수 있다. 이러한 저항성 전자파저지대의 전자파 흡수체는 전자파의 다중 반사를 줄이기 위한 목적으로 종래의 전자파 흡수체가 적용되었던 분야에 제작이 용이하고 소형의 좀 더 단순하고 저가의 구조로서 응용될 수 있다. 특히, 단위셀의 구조적 또는 물질적인 단순한 변형으로도 용이하게 흡수 주파수 대역을 조정할 수 있기 때문에 원하는 주파수 대역의 전자파들을 선택적으로 흡수할 수 있다는 장점이 있어 다양한 주파수 대역의 전자파들이 공존하는 환경에서 매우 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 구조적으로 한쪽 바닥면이 금속도체로 이루어져 전자파 흡수체를 금속도체에 부착하여 사용해야 할 경우에도 성능 변화 없이 바로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치의 나타낸 도면이다.
이에 나타낸 바와 같이 전자파 흡수 장치는, 복수의 단위셀(A)이 주기적으로 배열되어 이루어진다. 단위셀(A)은 금속 도체층(100)과, 금속 도체층(100) 위에 형성된 유전체층(102)과, 유전체층(102) 위에 저항성 재질로 형성된 단위셀 패턴(104)을 포함한다. 예컨대, 단위셀 패턴(104)은 금속 재질의 단위셀 패턴과 그 위의 저항 피막으로 대체할 수도 있다.
유전체층(102) 및 저항성 재질의 단위셀 패턴(104)을 포함하는 단위셀(A)은 주파수 선택 표면에 손실(loss)을 더한 구조로서 원하는 주파수에서 입사파를 부분 반사 그리고 부분 투과시키고 유전체 내의 위상(phase)을 조절하는 역할을 한다. 또한, 금속 도체층(100)은 이러한 저항성 재질의 단위셀 패턴(104)에 의해 부분 투과한 전자파를 전반사시키는 역할을 한다. 결국, 전체적으로는 전자파저지대의 형상으로써 유전체층(102) 높이로부터 단위셀 패턴(104)이 갖는 C(capacitance)와 L(inductance)에 의해 흡수 주파수가 결정되고 유전체층(102)의 높이는 전자파저지대 표면이 갖는 반사 위상(reflection phase) 특성에 의해 흡수를 위해 필요한 높이 λ/4보다 훨씬 낮게 형성이 되어 결국 저항성 재질의 단위셀 패턴(104)에 의해 부분 투과한 전자파가 감쇠되는 흡수 원리를 갖는다.
금속 도체층(100)으로부터 단위셀 패턴(104)까지의 높이(h1)와 유전체 특성(εг, μг) 및 단위셀 패턴(104)의 두께(t)는 흡수 성능에 대한 파라미터로 작용하여 전자파의 흡수 대역 및 성능을 조절할 수 있도록 한다. 이때, 각 방향에 대해 동일 설계 파라미터들을 자유롭게 달리 할 수 있고, 그럴 경우에 서로 다른 주파수 대역의 전자파를 양방향에서 동시에 흡수할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실은, 도 1 및 도 2와 같은 전자파 잔향실에서 종래의 피라미달 전자파 흡수체를 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 흡수 장치로 대체하여 전자파 잔향실을 제작할 수 있다.
이러한 실시 예에 따른 본 발명의 전자파 잔향실은 실내의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 전자파 흡수 장치가 설치되며, 전자파 흡수 장치는 전자파 저지대 구조를 가진다.
이러한 전자파 잔향실은 다면체의 형태(예컨대, 직육면체의 형태)를 가지며, 내부 모든 벽면이 전자파의 전반사를 위해 금속 도체로 되어 있고, 내부의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 스터러와 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 흡수 장치가 설치된다.
여기서, 스터러는 내부를 균일장으로 만들기 위해 필요한 경우에만 선택적으로 설치하는 것이며, 제외할 수도 있다.
또한, 전자파 잔향실 내에 전자파 흡수 장치를 설치할 때에 바닥뿐만 아니라 벽면에 설치할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치의 전자파 흡수 개념을 나타낸 도면이다. 여러 주파수 대역의 전자파가 입사했을 때에 반사파가 거의 없게 됨으로써 흡수 성능을 보임을 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전자파 흡수 장치에 적용할 수 있는 단위셀 패턴의 구조와 설계 변수를 나타낸 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태로 중앙에 위치하는 기본 패치(104b)와, 일정한 각도에 의해 기본 패치(104b)의 상측, 하측, 좌측 및 우측의 각 중앙에 일정 간격을 두고 기본 패치(104b)와 맞물려 배치된 반 직교다이폴 패치(104a)를 포함한다.
이러한 실시 예에 따른 단위셀 패턴은 기본 패치(104b)와 반 직교다이폴 패치(104a)의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 기본 패치(104b)와 반 직교다이폴 패치(104a)의 간격, 금속 도체층으로부터 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층의 재료 특성, 단위셀 패턴의 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다. 예컨대, 기본 패치(104b)와 반 직교다이폴 패치(104a)가 각각 다른 표면 저항 값을 갖도록 조절할 수도 있다.
여기서, 기본 패치(104b)와 반 직교다이폴 패치(104a)의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터는 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 반 직교다이폴 패치(104a)의 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 반 직교다이폴 패치(104a)에서 기본 패치(104b)와 맞물려 있는 부분 중 기본 패치(104b)와 평행한 방향인 변의 길이, 기본 패치(104b)에서 정사각형의 한 변의 길이, 단위셀 패턴의 두께 또는 반 직교다이폴 패치(104a)에서 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이 등을 포함한다.
도 6은 도 5에 나타낸 단위셀 패턴이 구조 파라미터 값 Rs=40 Ohm/sq, a=30 mm, b=15 mm, c=5mm, d=23 mm, e=1 mm, h=4.7 mm, k=7.5 mm, t=0.001 mm, θ=45ㅀ, εг=1, μг=1의 값을 가질 경우의 흡수 성능 및 대역폭을 나타낸 그래프이다. 이때 흡수 성능을 나타내는 반사율(reflectivity)은 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112010085226323-pat00001
여기서 R은 반사율, rDUT는 전자파 흡수 장치의 반사계수, rG는 금속 도체층 표면의 반사계수를 나타낸다. 본 발명에서는 흡수대역을 -10dB를 기준으로 결정한다. 여기서 -10dB의 반사율은 입사 전자파의 90%를 흡수함을 의미한다. -10dB 기준선(1010)이하의 반사율을 갖는 주파수 대역은 5.1GHz부터 7.2 GHz까지 이므로 일 실시예의 주파수 대역은 5.1GHz에서 7.2GHz이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단위셀 패턴의 구조를 나타낸 도면이다. 이는 흡수 대역폭을 넓히고 최대 흡수 주파수도 더 높은 주파수로 설정하기 위하여 도 5에 나타낸 단위셀 패턴의 구조를 변형한 실시 예이다.
도 7에 나타낸 바와 같이 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태로 중앙에 위치하면서 중앙에는 정사각형 구조의 제 1 슬롯(S1)이 형성됨과 아울러 제 1 슬롯(S1)의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯(S2)이 형성된 기본 패치(104b')와, 일정한 각도에 의해 기본 패치(104b)의 상측, 하측, 좌측 및 우측의 각 중앙에 일정 간격을 두고 기본 패치(104b)와 맞물려 배치된 반 직교다이폴 패치(104a)를 포함한다. 예컨대, 변형된 실시 예로서 제 2 슬롯(S2)을 형성하지 않을 수도 있다.
이러한 실시 예에 따른 단위셀 패턴은 기본 패치(104b')와 반 직교다이폴 패치(104a)의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 기본 패치(104b')와 반 직교다이폴 패치(104a)의 간격, 금속 도체층으로부터 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층의 재료 특성, 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 제 1 슬롯의 크기, 제 2 슬롯의 한 변의 길이 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다. 제 2 슬롯(S2)을 형성하지 않는 변형된 실시 예에서는 제 2 슬롯의 한 변의 길이를 제외한 나머지 변수들 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조정할 수 있다.
도 8은 도 7의 실시 예에 따른 단위셀 패턴을 주기적으로 배열하여 제작한 전자파 흡수 장치를 나타낸 도면이다. 예컨대, 주기적으로 배열되어 서로 인접한 단위셀의 단위셀 패턴들이 서로 다른 표면 저항 값을 갖도록 할 수 있으며, 단위셀을 주기적으로 배열할 때에 서로 인접한 단위셀 패턴의 구조 또는 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상이 서로 다르게 배치되도록 교대로 배치할 수도 있다.
도 9은 도 8에 나타낸 전자파 흡수 장치의 흡수 성능 및 대역폭에 대한 예측치와 실제 측정치를 나타낸 그래프이다. 설계된 전자파 흡수 장치가 예측치와 거의 흡사하게 실제로 동작함을 확인할 수 있다. 또한, 도 5에 의해 예측된 결과에 비교하여 최대 흡수 주파수가 상향 조정되었고 그에 따른 흡수 대역폭도 훨씬 넓어졌음을 알 수 있다. 최대 흡수 주파수는 7 GHz로써 그때의 파장(λ)은 약 43mm인데, 예시한 전자파 흡수 장치의 두께는 이에 대해 약 λ/10로써 종래의 공진형 전자파 흡수체가 갖는 λ/4 두께 조건보다 훨씬 얇음을 확인할 수 있다. 또한, 이 두께는 재료를 기반으로 한 종래의 전자파 흡수체들이 약 -3~5dB의 흡수율 수준으로도 상용되고 있는 현실을 감안했을 때 본 전자파 흡수 장치는 약 -22dB 수준으로 훨씬 더 얇게 제작할 수 있는 여지가 충분함을 예측할 수 있다.
도 10은 도 8의 전자파 흡수 장치에서 단위셀 패턴의 표면 저항값 Rs를 변화시켜가며 시뮬레이션 한 흡수 성능 결과를 나타낸다. 간단히 단위셀 패턴의 표면 저항값(Rs)을 변화시킴으로써 최대 흡수 주파수 및 흡수 대역폭을 크게 조정할 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단위셀 패턴의 구조를 나타낸 도면이다.
도 11에 나타낸 바와 같이 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태로 중앙에 위치하면서 중앙에는 정사각형 구조의 제 1 슬롯(S1)이 형성됨과 아울러 제 1 슬롯(S1)의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯(S2)이 형성된 기본 패치(104b')와, 일정한 각도에 의해 기본 패치(104b)의 상측, 하측, 좌측 및 우측의 각 중앙에 일정 간격을 두고 기본 패치(104b)와 맞물려 배치되면서 외곽변의 중앙에 반 직교다이폴 구조의 제 3 슬롯(S3)이 형성된 반 직교다이폴 패치(104a')를 포함한다. 예컨대, 변형된 실시 예로서 제 1 슬롯(S1) 및/또는 제 2 슬롯(S2)을 형성하지 않을 수도 있다.
이러한 실시 예에 따른 단위셀 패턴은 기본 패치(104b')와 반 직교다이폴 패치(104a')의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 기본 패치(104b')와 반 직교다이폴 패치(104a')의 간격, 금속 도체층으로부터 단위셀 패턴까지의 높이, 유전체층의 재료 특성, 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 제 1 슬롯의 크기, 제 2 슬롯의 한 변의 길이, 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조절할 수 있다. 제 1 슬롯(S1) 및/또는 제 2 슬롯(S2)을 형성하지 않는 변형된 실시 예에서는 제 1 슬롯의 크기 및/또는 제 2 슬롯의 한 변의 길이를 제외한 나머지 변수들 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 전자파 흡수 장치의 공진 주파수 및 대역폭을 조정할 수 있다.
도 12은 도 11에 나타낸 단위셀 패턴의 설계 파라미터 중에서 제 3 슬롯(S3)의 크기를 결정하는 한 변의 길이 x를 변화해가며 시뮬레이션 한 흡수 성능 결과를 나타낸다. 도 12에서 물리적 파라미터의 조정을 통하여 흡수 성능을 쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 도 7에 나타낸 단위셀 패턴에서 반 직교다이폴 패치(104a)의 표면 저항(Rs1)을 기존 설계값인 40 Ohm/sq로 고정시킨 상태에서 기본 패치(104b')의 표면 저항(Rs2)을 변화시켜 가며 계산한 전자파 흡수 장치의 성능 변화이다. 하이브리드 구조로써 Rs2가 40 Ohm/sq보다 클 때 흡수 대역폭이 크게 향상됨을 알 수 있다.
도 14는 도 13에서 기본 패치의 표면 저항이 40 Ohm/sq일 때의 전자파 흡수 장치를 제작하여 측정한 결과를 계산 결과와 비교한 그래프이다. 도 13에서 예측된 결과와 같은 성능 향상을 확인할 수 있고 측정 결과는 계산 결과보다 좀 더 좋은 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 전자파 잔향실에 포함되는 전자파 흡수 장치는 종래의 전자파 흡수체들보다 훨씬 더 얇게 제작이 가능할 뿐만 아니라, 단위셀 구조의 물리적 파라미터와 전기적 파라미터를 단순히 변경함으로써 전자파 흡수체로서의 흡수 성능(흡수 대역폭과 최대 흡수 주파수)을 용이하게 조정할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 설계 과정에 의해 흡수 성능을 갖는 단위셀 구조들은 본 발명의 실시 예에 따른 주기 구조를 기반으로 한 전자파 흡수 장치의 기본 단위셀 구조로써 서로 다른 주파수 대역들의 전자파들을 선택적으로 동시에 흡수하는 효과를 갖는다.
한편, 지금까지 본 발명의 실시 예들에 대해 살펴보았으나 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 예컨대, 도 5에 나타낸 단위셀 패턴의 반 직교다이폴 패치에 도 11의 제 3 슬롯을 형성할 수도 있다.
또한, 앞서 설명한 실시 예들에서 단위셀 패턴의 여러 가지 실시 예를 설명하였으나, 단위셀 패턴은 정사각형과 삼각형 등의 다각형이나 원형, 루프형 등 무한가지 다양한 모양의 구조로 설계할 수 있으며, 그 구조가 갖는 전기적 길이와 특성에 의해 전자파 흡수 주파수와 대역폭이 변화하게 된다.
이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내의 기술사상으로 해석하여야 함이 자명하다.
100 : 금속 도체층 102 : 유전체층
104 : 단위셀 패턴 104a, 104a' : 반 직교다이폴 패치
104b, 104b' : 기본 패치

Claims (18)

  1. 실내의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 전자파 흡수 장치가 설치되며, 상기 전자파 흡수 장치는 복수의 단위셀이 주기적으로 배열되고,
    상기 단위셀은, 금속 도체층과, 상기 금속 도체층 위에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 위에 저항성 재질로 형성된 단위셀 패턴을 포함하는 전자파 저지대 구조를 가지는
    전자파 잔향실.
  2. 삭제
  3. 실내의 반사 특성을 조절하기 위해 의도된 공간에 전자파 흡수 장치가 설치되며, 상기 전자파 흡수 장치는 복수의 단위셀이 주기적으로 배열되고,
    상기 단위셀은, 금속 도체층과, 상기 금속 도체층 위에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층 위에 금속 재질로 형성된 단위셀 패턴과, 상기 단위셀 패턴 위에 형성된 저항 피막을 포함하는
    전자파 잔향실.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 단위셀 패턴은, 다각형, 원형 또는 루프형 중에서 적어도 하나 이상의 형태를 포함하는
    전자파 잔향실.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 주기적으로 배열되어 서로 인접한 상기 단위셀의 상기 단위셀 패턴들이 서로 다른 표면 저항 값을 가지는
    전자파 잔향실.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 단위셀을 주기적으로 배열할 때에 서로 인접한 상기 단위셀 패턴의 구조 또는 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상이 서로 다르게 배치되도록 교대로 배치한
    전자파 잔향실.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위셀 패턴은, 정사각형에서 각 변 중앙이 직사각형 모양으로 패인 형태로 중앙에 위치하는 기본 패치와,
    일정한 각도에 의해 상기 기본 패치의 상측, 하측, 좌측 및 우측의 각 중앙에 일정 간격을 두고 상기 기본 패치와 맞물려 배치된 반 직교다이폴 패치를 포함하는
    전자파 잔향실.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성된
    전자파 잔향실.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 패치는, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯이 형성된
    전자파 잔향실.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 반 직교다이폴 패치는, 외곽변의 중앙에 반 직교다이폴 구조의 제 3 슬롯이 형성된
    전자파 잔향실.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성되며,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 기본 패치는, 중앙에 정사각형 구조의 제 1 슬롯이 형성되며, 상기 제 1 슬롯의 각 모서리에 길이가 일정한 정사각형 구조의 제 2 슬롯이 형성되고,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 전기적 길이를 결정하는 구조 파라미터, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치의 간격, 상기 금속 도체층으로부터 상기 단위셀 패턴까지의 높이, 상기 유전체층의 재료 특성, 상기 단위셀 패턴의 표면 저항 값, 상기 제 1 슬롯의 크기, 상기 제 2 슬롯의 한 변의 길이, 상기 제 3 슬롯의 크기 중에서 적어도 하나 이상을 조절하여 공진 주파수 및 대역폭을 조절하는
    전자파 잔향실.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 전자파 흡수 장치는, 상기 기본 패치와 상기 반 직교다이폴 패치가 각각 다른 표면 저항 값을 가지는
    전자파 잔향실.
  18. 제 8 항, 제 10 항, 제 12항, 제 14 항, 제 15 항 또는 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 파라미터는, 상기 단위셀 패턴의 한 변의 길이, 상기 반 직교다이폴 패치의 상기 단위셀 패턴에 맞닿아 있는 변의 길이, 상기 반 직교다이폴 패치에서 상기 기본 패치와 맞물려 있는 부분 중 상기 기본 패치와 평행한 방향인 변의 길이, 상기 기본 패치에서 정사각형의 한 변의 길이, 상기 단위셀 패턴의 두께 또는 상기 반 직교다이폴 패치에서 상기 단위셀 패턴의 한 변으로부터 수직한 높이 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는
    전자파 잔향실.
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