매질의 전기적 특성 도출을 위한 자유 공간 측정 시스템 설계에 관한 연구 = (A) Study on the Design of a Free-Space Measurement System for Extracting the Electrical Properties of Materials

국문 초록 (Abstract)

최근 위성 통신 및 지구 관측 임무를 위한 대형 전개형 반사판 안테나 (Large Deployable Reflector Antenna) 기술이 발전함에 따라, 반사판 의 핵심 소재인 금속 메쉬(Metallic Mesh)의 전자기적 특성을 정확하게 분석하는 것이 중요해지고 있다. 기존의 도파관 기반 측정법은 시편과 측정 치구 사이의 공극(Air-gap)으로 인한 오차에 민감하고, 특히 반사판 제작 시 불가피한 봉합(Seam) 구조와 같은 국부적인 불연속성을 평가하는 데 한계가 있다. 이에 본 논문에서는 X-band (8.2–12.4 GHz) 대역에서 동작하는 자 유 공간 빔 집중 측정(Focused Beam Measurement, FBM) 시스템을 설계하고, 이를 이용하여 유전체 및 봉합 구조를 포함한 전도성 메쉬의 물성을 정밀하게 측정하였다. 먼저, 양면이 쌍곡면(Hyperboloid)로 이루 어진 양볼록(Bi-convex) PTFE 렌즈를 설계하였다. CST Microwave Studio를 이용한 전자기 시뮬레이션을 통해 렌즈 투과 후의 빔 집중 특성을 확인하고, 시편 위치에서 평면파 근사 조건을 만족시키기 위해 위상 오차가 최소화되는 지점을 유효 초점거리로 도출하여 시스템에 적용하였 다. 이를 기하광학(Geometrical Optics)과 공간 스펙트럼 법(Angular Spectrum Method)을 결합한 하이브리드 이론 모델을 기반으로 유효 초점거리를 분석하였다. 구축된 시스템의 검증을 위해 기준 시편인 FR-4를 측정하였다. TRL(Thru-Reflect-Line) 교정 기법과 시간 영역 게이팅 (Time-domain Gating)을 적용하여 잔여 반사 성분을 제거한 결과, 추출된 유전율은 기존 도파관 측정법 및 시뮬레이션 결과와 매우 일치하였으며, 전체 대역에서 1% 미만의 상대 오차를 달성하여 시스템의 신뢰성을 입증하였다. 나아가 전도성 메쉬 시편에 대한 측정에서, 비봉합 메쉬는 도파관 측정 결과와 일치하는 표면 저항 경향성을 보였으며, 봉합 메쉬는 와이어 중첩(Overlapping)에 의한 국부적인 전도도 증가 현상이 뚜렷하게 관측되었다. 본 연구 결과는 제안된 FBM 시스템이 접촉 저항이나 공극 오차 없이 다양한 소재의 전자기적 물성을 정밀하게 측정할 수 있음을 보여주며, 향후 차세대 위성용 반사판 안테나의 설계 및 성능 검증에 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 전자파 물성 측정 기법 개요 5
• 2.2 가우시안 빔 및 준광학 이론 6
• 2.3 렌즈 투과 이론: 기하 광학(GO) 및 공간 스펙트럼 법(ASM) 10
• 2.3.1 기하 광학(GO) 기반 렌즈 투과 해석 10
• 2.3.2 공간 스펙트럼 법(ASM) 기반 자유 공간 전파 14
• 2.4 참조면 교정(Calibration) 및 매질 특성 도출 이론 15
• 2.4.1 벡터 회로망 분석기(VNA) 교정 이론 16
• 2.4.2 매질 특성 추출 이론 18
• 제 3 장 자유공간 FBM 시스템 설계 및 시뮬레이션 21
• 3.1 렌즈 설계 및 시스템 구성 21
• 3.1.1 렌즈 타입 선정 21
• 3.1.2 렌즈 형상 및 파라미터 설계 24
• 3.2 렌즈 포커싱 시뮬레이션 28
• 3.3 초점거리 분석: 이론–설계–시뮬레이션 비교 35
• 제 4 장 FBM 시스템 검증 및 시편 측정 41
• 4.1 기준 시편(FR-4) 측정 및 검증 41
• 4.2 비봉합 메쉬(non-seamed mesh) 측정 46
• 4.3 봉합 메쉬(seamed mesh) 측정 49
• 제 5 장 결 론 54
• 참 고 문 헌 56
• ABSTRACT 62