The rapid growth of wireless communication has caused serious EMI (electromagnetic interference) problems. The harmful EM wave absorbers are required to prevent these problems. Moreover, the RAS (radar absorbing structure) becomes important issues for stealth technology, which absorb the incidence radar signals without reflection.
The radar perceives targets by detecting the reflected EM waves from the object. The essence of the stealth technology is minimization of RCS (radar cross section) with “shaping” and “materials.” The shaping technology can scatter the incidence EM signals to the other direction, and the material can absorb the incidence EM waves with energy dissipation. Recently, studies about RAS using the fiber reinforced composites with various combinations of functional lossy materials have been conducted.
In this study, the concept for the effective RAS was proposed, and the goal of this research was the design and fabrication of ultra-wide band RAS with structural thin layer. As the RAS thickness is inverse proportion to the absorbing bandwidth, and the design of ultra-wide band RAS with thin layer is meaningful. The new approach for the RAS design was proposed, which showed multiple resonance characteristics in the single pattern layer.
The RAS proposed in the study was the combination of glass / epoxy composite substrate and conducting polymer planar periodic pattern layer. First, the periodic pattern layer generated inductance (L) and capacitance (C), and the L, C combination made resonance peak in the specific frequency range. Next, the effective surface resistance of the pattern layer was assumed with patterned area and pattern thickness. The pattern layer thickness control could change the effective surface resistance, and when the resistive screen became 377 Ω, the Salisbury absorbing characteristics occurred. As a result, the single periodic pattern layer with critical thickness could generate the two different resonance peaks, and the optimal design of the peak combination could make ultra-wide band RAS including X, Ku-band maintaining the specific thickness of the RAS. The control of the critical thickness with pattern design can be the effective design approach to make the thin and ultra-wide band RAS.
To make the periodic pattern layer, the intrinsic conducting polymer (CP) based on the poly(ethylenedioxy)thiophene (PEDOT) was synthesized. The basic characteristics were verified, such as coating property, transparency, electric conductivity, shielding effectiveness, and curing property. The screen printing method was used to make various types of pattern layer.
The designed RAS was fabricated and tested. The thickness of the RAS was 2.6 mm glass / epoxy composite, and the square array pattern was printed on the surface of the composite substrate. The back side was covered with copper plate. The specific conductivity of the CP paste was 1300 S/m and the pattern thickness was 12 um. The free space system measured the reflection loss in the X-band and the EM wave absorbing characteristics was verified. Moreover, the effect of the RAS for the stealth characteristics was verified to measure the RCS of the RAS plate. The RCS reduction with the help of the RAS was inspected and the experimental result showed good agreement with the design and simulation result.
무선 통신의 급격한 발달과 더불어, 유해 전자파에 대한 관심이 높아지고 있으며 전자기파 흡수체 대한 필요성이 제기되고 있다. 또한 군사용도의 스텔스 기술 구현을 위해서, 탐색용 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있는 RAS (radar absorbing structure)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
레이더는 전자기파를 이용하여 원거리의 물체를 감지하는 장비로서, 최근의 레이더 관련 기술의 현저한 발달은 필연적으로 레이더 탐지를 회피하기 위한 스텔스 기술의 개발로 이어졌다. 이러한 스텔스 성능을 극대화하기 위해서는 대상물의 레이더 피탐 면적 (RCS)을 최소화해야 하며, 레이더 피탐 면적 감소기술은 크게 반사파 감소 형상화, 전자파 흡수 재료 및 구조의 개발로 나뉜다. 이중 전자파 흡수 구조는 기본적으로 하중지지 및 전달 기능을 갖는 구조체의 역할을 하는 동시에 전자기파를 흡수하는 성능을 가지는 다기능 복합재료의 하나로, 최근 섬유강화 고분자 복합재료를 이용한 연구가 진행되어오고 있다.
본 연구에서는 이러한 효과적인 전자기파 흡수체를 구현하기 위한 요구조건을 정립하였으며, 기존의 연구를 바탕으로 하여 두께가 얇고 광대역 흡수가 가능하며 하중을 지지할 수 있는 구조체로써의 전자파 흡수체를 설계하는 것을 목표도 두었다.
일반적으로 전자기파 흡수체의 두께와 흡수대역폭은 반비례 관계에 있으며, 박막형 흡수체의 흡수 주파수 대역을 증가시키는 것은 그 의미가 크다고 할 수 있다. 본 논문에서는 단일층에서 다중공진을 구현하여 광대역 흡수특성을 보이는 새로운 전자기파 흡수체 설계방식에 관한 접근을 시도하였고, 결과적으로 얇은 두께를 유지하면서 흡수 주파수 대역을 증가시킬 수 있는 전자기파 흡수 구조체를 설계하였다.
우선 구조체로 사용 가능한 섬유강화 복합재료를 기반으로 하여, 주기 격자 패턴을 이용한 인덕턴스와 커패시턴스 특성으로 야기되는 공진을 이용하여 흡수체를 구성하였다. 다음으로, 패턴 층의 유효 표면저항 개념을 도입하였으며 이를 이용하여 주어진 패턴층의 미세한 두께 조절을 통해서 Salisbury screen absorber 특성을 구현하였다. 결과적으로 단일 주기 격자 패턴 층을 특정 임계두께로 설계함으로써 이 두 가지 공진 특성을 구현할 수 있었으며, 공진점의 조합을 통하여 X-band 및 Ku-band를 포함하는 광대역 전자기파 흡수체를 구현할 수 있었다. 임계두께 대역에서는 주기 격자 패턴층의 유효 표면저항이 자유공간 임피던스 값을 갖게 되며 동시에 L, C 특성이 발현되기 시작하여 AMC 흡수체 특성을 순차적으로 구현할 수 있기 때문이다.
이러한 주기 격자 패턴층의 제작을 위해서, PEDOT 기반의 전도성 고분자 페이스트를 합성하여 프린팅에 적용하였다. 페이스트의 코팅 특성, 광 투과도, 전기 전도도, 전자파 차폐 특성 및 성형 특성을 고찰하였고, 스크린 프린팅을 통하여 효과적으로 주기 격자 패턴을 제작할 수 있었다.
경계 조건을 만족하는 전자파 흡수체를 설계 제작하였으며 두께 2.6 mm의 유리섬유 강화 복합재료와 사각형 단위 셀을 갖는 주기 격자 패턴 층을 적용하였다. 전기전도도1300 S/m 전도성 고분자 페이스트의 두께는 12 um로 설정하였고, 제작된 흡수체의 전자기파 흡수 특성을 자유공간 측정법을 이용하여 확인할 수 있었다. 또한 실제 전자파 흡수능이 레이더 피탐 면적 (RCS) 감소에 미치는 영향을 살펴보았으며, 자유공간에서 입사되는 평면파를 효과적으로 흡수하여 RCS를 감소시킴을 확인하였다.
