유전율 및 투자율에 따른 인공자계도체 특성 및 다이폴 안테나 간 상관관계 분석

Analysis of AMC Characteristics According to Material Constants and Correlation of Dipole Antenna

이 논문에서는 도체 위 물질의 유전율 투자율에 따른 인공자계도체 특성을 이론적으로 고찰하고 이 인공자계도체 위에 다이폴 안테나화의 상관관계를 규명했다. 먼저 도체 위 물질이 인공자계도체로 동작하는 주파수 및 대역폭을 수식으로 유도하고, 이를 통해 유전율(εr), 투자율(μr), 그리고 물질 두께(L)가 인공자계도체의 특성에 어떤 영향이 있는지 분석했다. 물질 두께가 λ/4가 되는 주파수에서 반사계수 위상이 0°이 되므로 높은 유전율과 투자율을 가지는 물질로 인공자계도체 설계 시 두께를 줄일 수 있고, ‘μr/εr’ 값이 커질수록 인공자계도체 동작 대역폭은 증가(최대 200%)하며, 동작 주파수는 낮아지는 것을 밝혀냈다. 또한 물질의 손실이 존재하면 인공자계도체의 대역폭이 증가하는 것을 확인했다. 인공자계도체 위에 다이폴 안테나를 설계하고 유전율과 투자율을 변경하면서 인공자계도체 표면 반사 위상과 다이폴 안테나의 동작 주파수를 관계를 시뮬레이션을 통해 규명하였다.

In this paper, we theoretically examine the characteristics of an Artificial Magnetic Conductor (AMC) constructed of a perfect electric conductor and a normal material having permittivity εr, permeability μr, and thickness L. First, we derived rigorous equations to describe the infinite AMC structure. Then, we studied how the AMC’s characteristics are affected by changes in εr, μr and L. The operating center frequency exhibiting a 0° reflection coefficient phase occurs when L is one quarter of a guide wavelength. Therefore, the AMC thickness can be reduced by using a material having a high product of εr and μr. As the ratio μr/εr increases, the bandwidth of the AMC increases (maximum value: 200 %), and its operating frequency decreases. We also find out he bandwidth of the AMC is improved by introducing a loss in the material. To validate the AMC, we design a dipole antenna on the AMC and demonstrate a relationship between AMC phase and dipole antenna’s operating frequency by investigating the dipole on the AMC with different pairs of εr and μr.