요철이 있는 개구면에서의 전자파 투과 해석

Abstract

도체 평면 위에 파장 보다 작은 크기(subwavelength)의 개구면(aperture)이 있고 유한한 개수의 표면 구조(surface patterning)가 그 주위를 비주기적으로 둘러싸고 있는 구조에 대하여 이론적 해석기법을 통한 전자기 투과 및 산란 특성을 고찰하였다. 구조의 불연속 지점을 기준으로 해석할 영역을 나누고, 각 영역에서의 전자기장을 표현한다. 보조 벡터 퍼텐셜(auxiliary vector potential)의 파동 방정식을 풀어 해의 조합(construction of solution)을 통해 전자기장을 유도할 수 있는데, 특히 닫힌 영역에서는 이산모드 계수를 포함하는 고유함수 전개(eigenfunction expansion)를, 열린 영역에서는 모든 산란파를 고려할 수 있는 적분변환(integral transform)을 활용한다. 적분변환의 입력함수인 연속모드 계수는 중첩의 원리(superposition)를 이용하여, 열린 영역과 맞닿아 있는 모든 닫힌 영역들의 이산모드 계수의 합으로 표현할 수 있다. 영역별 경계면에서, 접선성분의 전기장 및 자기장 연속조건, 적분변환, 고유함수의 직교성(orthogonality)을 이용하여, 이산모드 계수에 대한 다원 1차 연립방정식을 도출하였고 행렬 연산을 통해 연립방정식을 풀었다. 개구면을 통한 전자기 투과 및 산란 특성을 이해하기 위해 투과계수, 원역장에서의 복사패턴, 근접장에서의 산란 전자기장의 분포 및 시평균 포인팅 벡터(Poynting vector) 등을 계산하였다. 본 연구를 통해 얻은 엄밀해의 유효성을 검증하기 위해, 해석한 구조를 직접 제작하여 측정한 결과, 기존 논문의 결과, CST사의 Microwave Studio를 이용한 시뮬레이션 결과 등과 비교하였고 전반적으로 일치하였다. 특히 본 논문에서는 등고선 선도(contour plot)를 활용해 개구면을 통한 투과 증대 현상이 최대가 될 수 있게끔 할 수 있는 표면 구조를 최적화하였고, 표면 구조 내부에서 여기 되는 각 고유모드(eigenmode)들이 개구면을 통한 전자기 투과 및 산란 특성에 어떠한 영향을 미치는 가에 대하여 집중적으로 연구하였다.