[논문 리뷰] Intelligent Radome Design Using Multilayer Metamaterial Structures to Realize Energy Isolation and Asymmetric Propagation of Electromagnetic Wave

Jing Yuan, Kong Xiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 05.

Advanced Antenna and Metasurface Technologies참고 문헌 27인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 다층 메타물질 구조를 이용한 지능형 레이돔을 제안하며, PIN 다이오드의 능동 제어를 통해 비대칭 전자기파 전파 및 고출력 전자기파(HPEMW) 차폐를 가능하게 한다. 폭넓은 편광 변환기(PC)와 능동 주파수 선택 레저버(AFSR)를 통합함으로써, 저출력 신호는 비대칭적으로 통과시키면서도 1.8 GHz 이상의 HPEMW는 흡수하며, 다이오드가 작동할 경우 3.48–3.58 GHz 대역에서 1 dB 이하의 삽입 손실을 달성하고, 2.3–4.4 GHz 범위에서 90% 이상의 흡수율을 확보한다.

ABSTRACT

An intelligent radome utilizing composite metamaterial structures is presented and investigated in this article, which can realize energy isolation and asymmetric propagation of electromagnetic (EM) wave self-adaptively by controlling states of PIN diodes. The whole structure mainly consists of a broadband polarization-sensitive polarization converter (PC) and an active frequency selective rasorber (AFSR) switching between a transmission mode and absorption mode which is used as an energy-selective surface (ESS). Among them, the function of the PC is to make the EM waves transmit asymmetrically, and the purpose of AFSR is to make the high-power waves be reflected or absorbed, which depends on the polarization type of the wave. Thus, the radome can realize both asymmetric propagations of EM wave and electromagnetic shielding. The equivalent circuit models (ECM) and parametric studies are considered to explain the physical operating mechanism of PC and AFSR. The fabricated structure with 7*7 unit cells is experimentally demonstrated and the measured results agree with simulated results well. Considering the distinctive characteristic of self-actuation, the presented concept has the potential application in electromagnetic stealth and HPEMWs shielding to protect communication devices.

연구 동기 및 목표

• 고출력 전자기파(HPEMW) 공격으로부터 통신 장치를 보호하면서도 정상적인 신호 전송을 유지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 레이돔이 동시에 비대칭 파동 전파와 능동식 HPEMW 차폐를 달성할 수 없는 한계를 극복하기 위해.
• 신호 전력에 따라 투과 상태와 흡수 상태를 동적으로 전환할 수 있는 자가 작동형 지능형 레이돔을 설계하기 위해.
• 단일 다층 메타물질 구조에 편광 제어 및 에너지 선택적 반응을 통합하여 전자기 기능을 향상시키기 위해.
• 등가 회로 모델링(ECM), 전체파 시뮬레이션(CST), 그리고 7×7 단위 세포 프로토타입을 이용한 실험 측정을 통해 설계를 검증하기 위해.

제안 방법

• 레이돔은 폭넓은 편광 변환기(PC)와 두 개의 공기층을 포함하는 3개의 기능층으로 구성되며, 입사 방향에 따라 x-편광 및 y-편광 파동의 비대칭 전파를 가능하게 한다.
• 내장된 PIN 다이오드를 갖춘 능동 주파수 선택 레저버(AFSR)는 에너지 선택 표면(ESS)으로 기능하며, 신호 전력에 따라 다이오드가 OFF일 경우 투과 모드로, ON일 경우 흡수 모드로 전환된다.
• PC는 수직으로 배열된 금속 스트립과 45° 기울인 타원형 구조를 사용하여 파르티-페로트 공진기 및 공진을 형성함으로써 폭넓은 대역의 편광 변환을 실현한다.
• AFSR는 슬롯 어레이와 집중 정수(저항, 인덕성, 커패시턴스)를 활용하여 등가 RLC 회로 모델(ECM)을 구성하며, 다이오드가 정방향 투과 상태일 경우 1.8–4.4 GHz 범위에서 조절 가능한 흡수를 가능하게 한다.
• 외부 커플링 없이도 HPEMW를 시뮬레이션하고 다이오드를 트리거하기 위해 평행 전압 공급 구조를 사용한다.
• 전체파 시뮬레이션(CST)과 안테나실에서의 실험 측정을 통해 설계를 검증하였으며, 시뮬레이션과 측정된 S-파ram 등급 간의 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 메타물질 레이돔이 동시에 비대칭 전자기파 전파와 능동식 고출력 전자기파(HPEMW) 차폐를 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 통합 구조에서 편광 변환과 신호 전력에 따라 투과 및 흡수 상태로의 전환을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 제안된 PC 및 AFSR에서 폭넓은 비대칭 전파와 조절 가능한 흡수의 물리적 작동 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 등가 회로 모델(ECM)이 다이오드의 다양한 상태에서 PC 및 AFSR의 거동을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 제작 허용 오차 및 부품의 정확도 부족은 시뮬레이션 대비 측정 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PIN 다이오드가 OFF일 경우, 100 MHz 대역폭(3.48–3.58 GHz)에서 삽입 손실이 1 dB 이하로 비대칭 전파가 달성된다.
• PIN 다이오드가 ON일 경우, 2.3 GHz에서 4.4 GHz 사이의 입사 에너지의 90% 이상을 흡수하여 HPEMW를 효과적으로 차폐한다.
• 다이오드가 OFF일 경우 중심 주파수(3.54 GHz)에서 측정된 삽입 손실은 2.6 dB이며, 시뮬레이션 대비 0.3 GHz의 주파수 시프트가 발생한다.
• AFSR는 다이오드가 차단 상태(OFF 상태)일 경우 통과 대역에서 최소 0.6 dB의 삽입 손실을 기록하여 효과적인 신호 전달을 확인한다.
• 측정된 S-파ram과 시뮬레이션 결과 간 양호한 일치를 보이며, 설계 및 ECM 기반 분석의 타당성을 검증한다.
• 프로토타입은 자가 작동 기능을 입증한다: 저출력 신호는 비대칭적으로 통과하고, 고출력 파동은 흡수되며, 하나의 장치에서 이중 기능을 실현한다.