KR20090012161A - 표면 임피던스를 가진 전자 스크린 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 통신 분야에 관한 것으로, 전자파의 차폐에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 표면 임피던스를 가진 전자 스크린은 평면 금속 반사기-기판 및 그것(그) 위에 평행하게 위치하여 서로 주기를 공유하게 서로 시프트되는 커패시터 타입의 두 격자들을 구비하며, 따라서 적어도 하나의 측면 에지가 반사기-기판의 에지와 전기적으로 연결된다.
전기적 연결은 연속적인 금속 층처럼 수행될 수 있으며 상기 스크린의 하나 이상의 대향하는 면 표면들 상에 위치한다. 또한 전기적 연결은 금속 전도체로부터 1-주기 격자들처럼 수행될 수 있으며, 상기 스크린의 모든 면 표면들 상에 위치한다.
전자 스크린, 전자파, 차폐, AMC

Description

표면 임피던스를 가진 전자 스크린{THE ELECTORMAGNETIC SCREEN WITH THE BIG SURFACE IMPEDANCE}
본 디바이스는 무선 통신 분야에 관한 것으로, 특히 전자파 차폐에 사용될 수 있는 전자 스크린에 관한 것이다.
전자파 스크린의 디자인의 문제점은 전파 공학 및 전자공학의 발달 기간 전체에 걸쳐 긴 역사를 가지며, 서로 분리된 회로 및 유닛들간 전자 흐름의 억제(suppression)에 관한 연구는 실제로 충분히 있어 왔다. 인간과 야생 환경상에서 전자파 영향의 줄이는데 대한 실제적인 문제는 동일하였다.
본 발명에 따라 제안되는 디바이스와 다소 관련있는 현재 스크린들은 금속제의 구조물(금속 시트, 필름, 그리드 등) 기반과 전파흡수 물질들로 만들어진다[참조문헌1]. 전파흡수 물질 분야에서 현저한 진보가 통상 "스텔스(stealth)"로 일컬어지는 연구 방향으로 지난 30년간 달성되어졌다. 마이크로파 범위에서 복합 자기-유전체를 기반으로 하여 충분히 얇고(대략 밀리미터 단위의 두께), 광대역(옥타브 이상)의 전파흡수 범위를 가지는 것들이 개발되어져 왔으며, 이는 전자기 차폐에 성공적으로 적용될 수 있다.
그런데, 효과적인 전자파 차폐를 위해 횡단면 사이즈를 파장의 배수와 동일하게 하는 두 종류의 스크린이 알려져 있다. 지난 10년간 특히 이동 통신의 발달과 관련하여 소형 안테나 방사 차폐를 위해 사이즈를 파장과 비교하여 보다 작을 수 있는 스크린에 대한 절실한 필요성이 있어 왔다. 금속 및 전파흡수 스크린의 횡단면 사이즈를 단순히 줄이는 것은 필요한 긍정적 효과를 가져오지 않는다. 이는 전자파가 그러한 스크린에서 쉽게 "주위로 유동(flow round)"하기 때문이다.
따라서 예를 들어 전파흡수 물질 층을 기반으로 한 지름 15mm, 두께 4mm의 태블릿(tablet) 형태로 만들어진 미니 스크린인 "Wave Buster(전자파 흡수체)(대한민국)"는 전체 10-20%, 즉 1 dB 미만의 안테나 방사를 줄인다. 비교적 큰 영역의 전파흡수체(페라이트, ferrite) 판은 0.9 GHz의 주파수에 대해 6 dB의 방사를 줄인다[참조문헌5].
소형 안테나 차폐 상황의 급격한 변화는 높은 표면 임피던스를 갖는 표면들이 고려된 'D.Sievenpiper'의 공표 및 참조문헌[2-4] 모두와 연관된다. 그러한 표면들은 인공 자기 도체(AMC: Artificial Magnetic Conductor)로 별도로 명명한다. 이때 해당 표면상에서 전자파 강하시 접선의(tangential) 자기장은 전기 도체의 표면 상에서 처럼 안티노드(antinode) 대신에 노드(node)를 갖는다. 특히, 심지어 제한된 횡단면 사이즈임에도 불구하고 그러한 표면 뒤에 깊은 전자기 음영 지역이 형성되는 것, 즉 상기 표면이 전자파의 스크린인 것이 개시된다. 또한 그 지향성을 향상시키기 위해 안테나의 그라운드 평면처럼, 공진 고 임피던스 표면의 응용이 개시되어졌다. 25x50 mm 사이즈의 AMC 상에 위치한 휴대폰 안테나의 모델에 대한 2.5 GHz 신호의 "포워드-백(forward-back)" 비율은 약 10 dB이다[참조문헌4].
차폐를 위해 이중 오픈 링 기반 상에 메타물질(metamaterial)을 적용하기 하기 위한 시도로서 34x34x15 mm 체적의 10 계층 구조가 1.8 GHz에서 3 dB 감쇠를 가지는 것으로 개시된다[참조문헌5].
튜너블(tunable) 임피던스 표면[참조문헌2]이 본 발명에서 제안하는 스크린의 프로토타입(prototype)이다. 이는 파장의 길이의 비교하여 작은 거리로 금속 사각형들로부터 금속성 그라운드와 평행(parallel)인 두 개의 2-주기 격자들을 포함한다. 격자들간의 거리 또한 파장의 길이와 비교하여 작다. 금속 기판과 가장 가까운 제1 격자의 각 요소는 금속 그라운드와 연결된다. 이 격자는 움직이지 않는다. 제2 격자(이동)는 또한 상기 제1 격자로 시프트(shift)될 수 있어서, 격자들간의 거리는 일정하게 유지된다. 이동 격자의 평면에서 임피던스는 전자파의 주파수 및 격자들의 배치(geometry)에 달려있다. 표면 임피던스는 주어진 시스템의 공진 주파수와 최대한 가깝다. 시스템의 공진은 많은 수의 연결된 기본(elementary) 공진기들의 공진이다. 각 기본 공진기들은 상기 이동(mobile) 및 움직이지 않는(motionless) 격자의 두 요소들간의 커패시티(capacity)에 따라, 그리고 금속 기판 측 및 움직이지 않는 격자의 요소들을 금속 기판과 연결하는 2개의 다음 컨덕터를 포함하는 회로의 인덕턴스에 따라 형성된다. 상기 프로토타입은 고 임피던스를 갖는 표면이므로 이는 차폐 성질(properties)을 가진다.
상기 프로토타입의 결점은 제한된 사이즈에 기인한 비균일(inhomogeneous) 표면 임피던스이다. 임피던스 표변의 가장자리에 있는 기본 공진기들은 임피던스 표면의 중앙에 있는 기본 공진기들보다 적은 수의 다음 공진기들과 연결된다. 그 결과 기본 공진기들의 공진 주파수들과 대응되는 로컬 임피던스는 이러한 공진기들의 위치에 달려있다. 비균일 임피던스의 바람직하지 않은 결과는 차폐 효과의 "유실(washing out)" 즉, 그 스크린의 동작 주파수들 상에서 감소이다. 상기 프로토타입의 또다른 결점은 전도성 기판에 움직이지 않는 격자의 모든 요소들의 많은 짧은 연결과 관련하여 디자인의 구현이 비교적 복잡한 것이다.
본 발명의 목적은 본 발명에 따라 제안되는 디바이스가 동작 주파수의 범위에서 전자파 차폐를 위해 미니-스크린에 사용되는 상기 프로토타입과 비교하여 소형 스크린들을 위해 보다 크고 더욱 균일한 표면 임피던스를 제공하는 것이다.
상기 디바이스 표면의 전기장의 접성분(tangential component)은 비제로(nonzero)이며 자기장의 접성분 및 표면 전류는 제로에 가깝다. 따라서 상기 본 발명에 따라 제안된 스크린은 인공 자기 도체(AMC: Artificial Magnetic Conductor)이다. 전기 다이폴(dipole) 또는 모노폴(monopole)에 의해 방사되는 전자파는 AMC 뒤에 깊은 전자기 음영 지역을 형성한다. 특히 휴대폰의 안테나와 사용자의 머리 사이에 본 발명에 따라 제안되는 디바이스를 위치시키는 것은 전자기 방사의 마지막 영향에 대해 보호하도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 제안되는 스크린은 그 뒤의 안테나의 전자기파를 차폐하며, 음영지역을 형성한다. 즉 안테나의 패턴이 최소화를 갖는다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 평면 금속성 반사기(reflector) 및 두개의 커패시터 타입 평행 격자(lattice)들을 구비한 대 표면 임피던스 전자기 스크린을 특징적으로 구비한다. 상기 격자들은 주기(period)가 서로 부분적으로 마지막에 시프트(shift)되게 위치하며 격자들의 프린지(fringe)의 적어도 하나는 반사기의 에지와 전기적으로 연결된다.
상기 전기적 연결은 연속된 금속 층처럼 제작될 수 있으며, 상기 전자기 스크린의 하나 또는 두개의 대향하는 면 표면들 상에 위치한다.
상기 전기적 연결은 금속 전도체로부터 1-주기 격자처럼 제작될 수 있으며 전자기 스크린의 모든 면 표면들 상에 위치한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1에서는, 커패시터 타입의 격자들(1), 반사기(2), 두 종류의 금속 격자들 - 스트립 격자들(도 1a) 및 사각형 격자들(도 1b)을 위한 유전체 층(3)들이 있는 스크린이 제시된다. 도 2에서는, 연속된 금속화(도 2a) 및 1-주기 격자처럼 금속화(도 2b)를 가진 본 발명에 따른 디바이스의 면 표면의 배치가 도시된다. 이러한 격자는 본 발명에 따라 제안된 스크린의 횡단면 사이즈들 A 및 B와 비교하여 작은 주기를 가진 얇은 전도체로 만들어진다.
큰 횡단면 사이즈를 가진 AMC의 특성:
본 발명에 따라 제안된 디바이스는 그 전자기 특성에 기인한 AMC 분류와 관련하여 이미 분류되어졌다[참조문헌2-4]. 전기 전도체와 AMC의 기본 차이점은 아래와 같다: 이러한 표면 상에서 AMC 표면 상의 전자파 강하시에는, 전기장의 접성 분(tangential component)의 안티노드(antinode) 및 자기장의 접성분의 노드(node)가 형성된다. 한편 AMC에서 전기장의 접성분의 반사 계수는 전기 전도체의 경우 -1인 것과는 달리 +1이다.
두개의 근접 위치한 커패시터 격자들의 기반상에서 AMC의 패턴이 도 1에 도시된다. 도 1a에서 1-주기 격자는 얇은 금속 스트립들로 만들어지며, 도 1b에서 2-주기 격자는 금속성 사각형으로 만들어진다. 이 구조의 사이즈는 아래 수학식 1의 조건을 만족한다.
d << a << b << λ
상기 수학식 1에서 λ는 파장이다.
그러한 AMC의 기본적 특성은 [참조문헌6]에 상세히 고려되고 있다. 여기에서는 단지 파장 이상인 사이즈를 갖는 AMC에 대해 다소의 필요한 결과들에 주목한다.
한 쌍의 커패시터 격자들 및 금속 평면은 평면 공진기를 형성하며, 공진 주파수 상에서 이의 반사 계수는 (전기장의 크로스 성분 상에서) +1 이다. AMC 상에서 일반적인 범위의 전파 공진 주파수 f p 는 아래 수학식 2를 따른다.
Figure 112008053728715-PAT00001
상기 수학식 2에서, c는 광속이며 ε는 격자간 물질의 유전 투과성이다. 반 사 계수의 위상은 (전기장의 크로스 성분 상에서) 아래 수학식 3과 같이 주파수들의 스트립
Figure 112008053728715-PAT00002
π/2 에서 간격(interval) 2Δf 에서 변한다.
Figure 112008053728715-PAT00003
상기 수학식 3에서 계수 Q는 아래 수학식 4에 에 따라 추정된다.
Figure 112008053728715-PAT00004
AMC로부터 반사 계수의 모듈(module)은 금속 및 유전체에서 손실들 및 방사에 의해 항상 1보다 작다. 상기 방사는 공진이 결국 사라지게 되는 AMC 영역의 감소 이유이다. 따라서 공진 상에서 2개의 직교 사이즈들의 AMC의 영향은 필수적으로 변화가 많다. 따라서 전기장의 방향에 수직 사이즈의 감소는 격자들 및 금속 평면간의 거리와 비교 가능한 사이즈로 공진 주파수를 다운시키는데 미약하게 영향을 준다. 반대로 먼저 다른 직교 사이즈의 감소는 상기 사이즈가 파장보다 작을 경우에 공진 주파수를 증가시키도록 이끈다.
작은 횡단면 사이즈를 가진 AMC의 특성:
AMC에 기반한 작은 스크린의 디자인을 위해서는 그 에지들에서 원하지 않는 방사 영향을 제거하는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위해 도 1a에 도시된 1-주기(1-편광) 구조의 경우에는 두 면 표면의 충분한 연속적인 금속화가 전기장의 벡터에 수직이다(도 2a 참조). 원하지 않는 방사 영향의 부분적 제거는 금속화가 한 면 표면상에 있더라도 행해진다. 도 1b에 도시된 2-주기(2-편광) 구조의 경우에는 모든 면 표면의 금속화가 얇은 전도체에서 격자 형태로 수행된다(도 2b 참조). 후자의 경우에는 전기장의 벡터
Figure 112008053728715-PAT00005
에 수직인 끝 면들의 금속화는 연속적인 것처럼 행하며, 두개의 남은 끝 면들의 금속화는 벡터에 수직인 격자들의 전도체가 여기에서 벡터
Figure 112008053728715-PAT00006
에 수직이므로 한쌍의 격자들 및 금속 평면간의 공진 볼륨에서 필드에 상당한 영향을 주지 않는다. 그 결과 그러한 AMC로 형성된 본 발명에 따라 제안된 스크린은 한쌍의 격자들, 금속 평면 및 금속화된 끝 면들로 형성된 평면 공진기를 나타낸다.
공진 주파수 상에서 본 발명에 따라 제안된 스크린(미니 스트린)의 전자기파 강하시, 전기장의 접성분에 의한 안티노드 및 노드 - 자체 표면상 자기가 형성된다. 미니 스크린의 주파수 밴드는 공진 주파수 및 공진기의 Q- 인자에 의해 결정된다.
상기 프로토타입과 비교하여 본 발명에 따른 기술적 결과는 - 제한된 사이즈의 AMC 표면 상에서 임피던스 균일화가, 본 발명에 따라 제안된 스크린이 커패시터 격자들의 평면에서 자체 모드의 동일한 필드 및 일정한 공진 주파수를 가진 균일한 공진기를 나타내는 것에 의해 이루어진다. 격자들에 따라 필드의 주기적 발진은 임피던스의 결정시 고려되지 않는다.
본 발명에 따라 제안된 스크린의 공진 주파수:
전기장이 격자들 및 자기 사이에서 - 한쌍의 격자들, 금속 평면 및 금속화된 끝 면들간의 볼륨에서 집중되므로, 본 발명에 따라 제안된 스크린은 커패시티 및 인덕턴스의 할당이 용이한 공진기를 나타낸다. 따라서 공진기의 커패시티는 격자들의 성분에 의해 형성되며 인덕턴스는 공진기의 캐비티(cavity) 간격의 볼륨에 의해 결정된다. 도 1a 및 2a에 도시된 1-주기 구조를 위해 추가적 계산이 수행될 것이다. 슬롯들의 사이즈 (2a)는 격자 주기 (2b)와 비교하여 작으므로, 이러한 계산 결과는 도 1b 및 도 2b에 도시된 2-주기 구조들에서도 역시 맞다. 공진기의 커패시티 C는 평면 콘덴서들의 연속된 연결 2n(여기에서 n은 외부 격자들 금속 스트립들 수)에 의해 생성된다(도 3참조).
Figure 112008053728715-PAT00007
공진기의 내부 캐비티는 직사각형 단면 BxD의 튜브 형태를 가진다. A >> D인 조건하에서 그러한 튜브의 인덕턴스 L은 아래 수학식 6에 따라 추정된다.
Figure 112008053728715-PAT00008
공진 주파수 f p는 아래 수학식 7과 같이 알려진 공식으로 계산된다.
Figure 112008053728715-PAT00009
상기 수학식 7에 수학식 5 및 6을 대입하면 아래 수학식 8과 같이 얻어진다.
Figure 112008053728715-PAT00010
격자 주기가 큰 수일 경우에 B/n
Figure 112008053728715-PAT00011
2b로 계산하는 것이 가능하며 상기 수학식 8은 수학식 2로 변환한다. 이때 2-주기 구조에서 수학식 8은 약간 더 상세해질 수 있다.
Figure 112008053728715-PAT00012
공진 주파수는 동일한 격자 구조(2b=4mm, 2a=0.3mm, 2d=0.1mm) 및 동일한 두께를 가지지만 횡단면 사이즈는 A 및 B로 다른 샘플들의 시리즈를 위해 재어진다. 샘플들의 사이즈는 테이블 1과 같이 결정된다. 격자들 및 금속 평판간의 물질의 유전체 유전율은 따라서 2.25 및 2.55와 같다.
[테이블 1]
Figure 112008053728715-PAT00013
공진 주파수는 공간에서 샘플 RCS(Radar Cross Section)의 최대 주파수 의존 에 따라 결정된다. RSC 측정은 벡터 분석기를 완비한 준광학 반사계(quasioptical reflectometer)[참조문헌8]를 사용하는 콤팩트 레인지 다각형 IRE RAS[참조문헌7]에서 수행된다. M의 2승과 관련한 dB에서 의존도는 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 곡선들의 각 번호는 상기 샘플들의 번호에 대응된다. 도시된 곡선들로부터 아래와 같이 알 수 있다:
공진 주파수는 A/D > 2 조건시에 샘플의 횡단면 사이즈에 약하게 의존한다.
공진 곡선의 폭은 사이즈 A에 약하게 의존하지만 사이즈 B가 증가함에 따라 급격히 커진다.
상기 수학식 8을 사용하여 계산되고 측정된 공진 주파수 값은 테이블 1에 개시된다.
A>>D 조건하에 기대되는 것은 실험과 계산된 결과간의 좋은 연관관계가 일어나는 것이다. A가 B와 비슷할 경우에 공진 주파수의 측정 값은 필수적으로 계산된 것보다 크다.
차폐 효과의 측정:
AMC 구조의 전자파 차폐의 효과 설명 중 하나는 공진 주파수에 근접한 AMC 표면상의 작은 전류이다[참조문헌1,2]. 차폐 효과의 실험에 의한 측정은 1.8 GHz 및 2.5 GHz의 주파수에 근접한 실질적으로 중요한 범위에서 수행된다. 미니 스크린의 샘플들은 1-주기 및 2-주기 격자들에 기반하여 만들어진다. 모든 격자들은 아래 파라메타를 가진다: 2b=6mm, 2a=0.3mm, 2d=0.1mm. 따라서 격자들 사이 및 격자와 금속 평면과의 사이 물질 유전율은 ε=2.25(polythene) 및 ε1=2.55(polystyrene)이다.
샘플들의 전체적인 치수 및 다른 특성들은 테이블 2에 도시된다. 테이블에서 공진 주파수 fp는 수학식 8 및 9에 의해 계산된다. 샘플들 1-3에서 격자들의 측면 에지들과 반사기의 에지는 두개의 대향하는 면 표면의 연속적인 금속화에 의해 만들어진다. 샘플 4에서 전기적 연결은 2-주기 격자의 형태로 6mm 주기를 갖는 얇은 전도체로 4개의 면 표면 전체에서 만들어진다.
[테이블 2]
Figure 112008053728715-PAT00014
측정 장비는 도 5에 도시된다. 차폐 레벨은 모두 30mm의 길이인 두 개의 모노폴간의 전송 계수의 측정에 의해 결정된다. 일반화된 전송 계수의 주파수 의존도는 도 6a에 φ=0인 경우로 도시된다. 이러한 계수가 최소인(φ=0인 경우에서 결과적으로) fm 주파수상에서 전송 계수의 각(angular) 의존도는 도 6b에 도시된다. 도 6a 및 6b에서 곡선들의 모양은 테이블 2의 샘플들 수에 대응된다. 측정들은 차폐 주파수 fm이 격자들 구조의 사이즈와 샘플 D의 두께에 의존하며, 실질적으로 횡단면 사이즈 A 및 B에는 의존하지 않음을 나타낸다. 도 6a 및 6b에서 15 dB 이상의 차폐 효과가 얻어진다.
따라서, 본 발명에 따라 제안된 스크린은 횡단면 사이즈가 파장보다 필수적 작을 시에 전자기파 차폐의 기능을 수행한다. <<전기 다이폴>>, <<전기 모노폴>>과 같은 안테나의 효과적인 방사 차폐의 실현을 위해 상기 스크린은 안테나의 표면으로부터 파장의 (0.01/0.1) 거리로 설정된다. 따라서 커패시터 격자들의 표면은 안테나의 축과 평행하며 이 안테나와 면한다.
상기 본 발명에 따라 제안된 스크린은 안테나와의 거리가 파장보타 필수적으로 작을 경우에 최대 차폐 방향으로 안테나의 전자기파를 15 dB 이상 감소시킨다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
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도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 스크린의 구조도
도 2는 본 발명에 따른 디바이스의 면 표면의 배치도
도 3은 본 발명에 따른 디바이스의 평면 공진기 구조에서 커패시티 생성 상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 예시 샘플들의 공진 주파수 관련 특성 파형도
도 5는 본 발명에 따른 디바이스의 특성 측정 장비의 구조도
도 6은 본 발명에 따른 디바이스의 예시 샘플들의 차폐 효과 관련 특성 파형도

Claims (5)

  1. 표면 임피던스를 가진 전자 스크린에 있어서,
    평면 금속 반사기-기판과,
    상기 반사기-기판 위에 평행하게 위치하여 서로 주기를 공유하게 서로 시프트되며 격자들의 적어도 하나의 측면 에지가 상기 반사기-기판의 에지와 전기적으로 연결되는 커패시터 타입의 두 격자들을 포함하는 표면 임피던스를 가진 전자 스크린.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기적 연결은 연속적인 금속 층처럼 수행되며 상기 전자 스크린의 하나 이상의 대향하는 면 표면들 상에 위치함을 특징으로 하는 표면 임피던스를 가진 전자 스크린.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기적 연결은 금속 전도체로부터 1-주기 격자들처럼 수행되며, 상기 전자 스크린의 모든 면 표면들 상에 위치함을 특징으로 하는 표면 임피던스를 가진 전자 스크린.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전자 스크린은 인공 자기 도체(AMC: Artificial Magnetic Conductor) 구조이며, 상기 격자들은 얇은 금속 스트립들로 만들어짐을 특징으로 하는 표면 임피던스를 가진 전자 스크린.
  5. 제1항에 있어서 상기 전자 스크린은 인공 자기 도체(AMC: Artificial Magnetic Conductor) 구조이며, 상기 격자들은 금속성 사각형으로 만들어짐을 특징으로 하는 표면 임피던스를 가진 전자 스크린.
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