자성 복합재 및 주파수 선택적 구조를 이용한 초광대역 전자기파 흡수 및 다기능 메타표면 설계 = Design of Ultra-Wideband Electromagnetic Wave Absorption and Multifunctional Metasurface Using Magnetic Composite Materials and Frequency-Selective Structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The proliferation of millimeter-wave communication and sensing systems has intensifiedelectromagnetic interference (EMI). Existing absorber and radiator structures, which rely on bulkcomponents, face limitations due to parasitic effects and performance degradation at high frequencies.
Therefore, this dissertation proposes a novel design method that combines magnetic material losseswith thin metasurface structures to mitigate interference in the millimeter-wave band.
The first study overcomes the Snoek limit by inducing multiple ferromagnetic resonance (FMR)modes through controlled particle size distribution in CIP/epoxy composites. It achieves ultra-widebandabsorption across the 12–50 GHz range by applying TPU substrate layers and resistive FSS-basedadmittance compensation techniques.
The second study proposed a multifunctional metasurface capable of simultaneously performingabsorption, transmission, and radar cross-section (RCS) reduction within a single planar structure. Thiswas achieved by combining the intrinsic FMR characteristics of M-type ferrite with Floquet modesinduced by the periodic structure. Through impedance design of the bandpass frequency-selectivesurface (FSS) and patch layer, low-loss transmission in the 55 GHz band was realized. Utilizing 1-bitphase encoding, RCS reduction exceeding 10 dB in the 24 GHz band was achieved, along with magneticloss-based V-band optical absorption in the 77 GHz region.
Both studies quantitatively analyzed the electromagnetic contributions of each layer using anequivalent circuit model (ECM) to validate the design. Compared to existing millimeter-wavemetasurfaces, this work demonstrates clear novelty in its thin structure, functional integration, and useof magnetic materials.
This research presents a design methodology for magnetic-based metasurfaces aimed at reducingmillimeter-wave interference and controlling waveforms. The approach has broad applicability invarious high-frequency domains, including next-generation 5G/6G communications, autonomousdriving radar, and vehicle radomes.

국문 초록 (Abstract)

밀리미터파 기반 통신·센싱 시스템의 확산은 전자기 간섭을 심화시키며, 기존 lumped 소자 기반 흡수체 및 ·라조버 구조는 고주파에서의 기생효과와 성능 저하로 적용에 한계가 있다. 이에 본 학위논문에서는 자성체 기반 재료 손실과 얇은 메타표면 구조를 결합하여 밀리미터파 대역의 간섭 저감을 위한 새로운 설계 방법을 제시하였다.
첫 번째 연구에서는 CIP/epoxy 복합재의 입자 크기 분포 제어를 통해 다중 FMR(Ferromagnetic Resonance)을 유도하여 Snoek 한계를 극복하고, TPU 지지층 및 저항성 FSS 기반 어드미턴스 보상 기법을 적용해 12–50 GHz 범위의 초광대역 흡수를 구현하였다.
두 번째 연구에서는 M-type ferrite의 고유한 FMR 특성과 주기 구조에서 유도되는 Floquet 조화파를 결합하여, 평면 구조에서 흡수–투과–RCS 감소의 세 기능을 동시에 수행하는 다기능 메타표면을 제안하였다. 대역통과 FSS와 패치 층의 임피던스 설계를 통해 55 GHz 대역 저손실 투과, 1-bit 위상 부호화를 통해 24 GHz 대역 10 dB 이상 RCS 감소, 그리고 77 GHz 영역에서 자성 손실 기반 V-band 광대역 흡수를 달성하였다. 두 연구 모두 등가회로모델을 기반으로 각 구성층의 전자기적 기여를 정량 분석하여 설계의 타당성을 확보하였으며, 기존 밀리미터파 메타표면 대비 얇은 구조, 기능 통합, 자성체 활용 측면에서 명확한 신규성을 갖는다

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 자성 복합재와 임피던스 보상 기법을 이용한 초광대역 흡수체 설계 5
• 2.1 CIP/epoxy 복합재 소재 제조 및 전자기 특성 평가 5
• 2.2 TPU 보조층과 저항 부착형 FSS 를 이용한 어드미턴스 보상 전략. 7
• 2.3 측정 결과 및 성능 평가 20
• 2.4 결론. 21
• 3. M-type 페라이트를 활용한 다기능 메타표면 구조 설계 22
• 3.1 다기능 메타표면 동작 및 M-type 페라이트의 특성 분석 . 22
• 3.2 Floquet 고차 고조파를 활용한 흡수대역 형성 메커니즘 25
• 3.3 패치 층 및 FSS 층의 임피던스 해석과 투과대역 형성. 32
• 3.3.1 투과대역 형성을 위한 임피던스 분석. 33
• 3.3.2 투과 및 흡수대역 형성을 위한 패치 층 최적화 38
• 3.4 Checkerboard 패턴을 이용한 Monostatic RCS 감소 구조. 45
• 3.5 제작 및 측정 결과 . 48
• 3.6 결론. 53
• 4. 결론 . 54