Electromagnetic Metamaterial (MTM)

Electromagnetic Metamaterials:

Transmission Line Theory and Microwave Applications

Chap.1 Introduction

 Electromagnetic Metamaterial (MTM)

: artificial effectively homogeneous electromagnetic structures with unusual properties not readily available in nature

(자연에서는 쉽게 찾을 수 없는 독특한 성질을 가진 인공적인 유효 균일 전자기적 구조)

- effectively homogeneous structure 란 평균 cell 크기 p 가 λg/4 보다는 작아 파동이 MTM 매질을 지날 때 굴절현상이 산란/회절현상보다 우세하게 나타나는 구조: 파동의 진행방향으로 보았을 때 전자기적으로 균일한(uniform) 특성을 갖도록 한다.

 굴절계수 n

 RH materials – 전기장/자기장/위상벡터 가 오른손 법칙에 부합

 LH materials – 전기장/자기장/위상벡터 가 왼손 법칙에 부합 

 LH 물질의 특성:

도플러 효과 반전

스넬의 법칙 반전

오목, 볼록 렌즈의 발산 및 수렴 특성 반전

 Plasmonic frequency (플라즈마 주파수) 가 microwave frequency range 내에 존재하도록 설계하여 microwave frequency range 내에서 음수의 유전율 및 투자율을 갖도록 함.

 SRR 구조의 등가회로는 RLC 의 조합으로 나타나며, 이는 공진 특성을 나타냄.

 (a) TW-SRR 구조: 음의 유전율/투자율

(b) 2차원 TW-SRR 구조

 Backward-wave structure 와 LH MTM 의 차이

 Backward wave 는 LH 특성을 갖는 구조의 higher order mode 와 주로 관련되며 

cell 의 크기 p가 λg/2 정도 (혹은 이 값의 정수배) 이며

이 구조에서 파의 진행(propagation) 은 굴절이 아닌 산란/회절 현상이 우세.

→ ε와 μ 를 정의하기 힘듦.

 LH MTM 은 기본모드에서 동작하며

cell 의 크기 p가 λg/4 보다 작을 때 거시적 관점에서 ε와 μ를 정의할 수 있음.

이 경우 파의 진행은 굴절 현상이 우세.

→ 굴절현상은 RH 특성을 갖는 물질에서와 반대 방향으로 일어남. ∵ε < 0, μ < 0 이므로)

 Left-Handed (LH)

 Double negative (DNG)

 Negative-refractive-index (NRI)

 Backward-wave (BW)

 Veselago medium

 Negative phase velocity medium (NPV)

 TW-SRR MTM: SRR 구조로 인한 공진 → 높은 손실, 좁은 대역폭의 한계 

 공진기의 Q

Ql, Qu, Qe (순서대로 loaded, unloaded, external Q)

: 공진기를 통과함으로서 발생하는 손실(∝1/Ql)은 유전체/저항성 손실(∝1/Qu)과 외부회로(소스/부하)와 이어지는 부분에서의 커플링 손실(∝1/Qe)의 합과 동일.

 TL MTM

:TL 의 개념을 도입하는 이유는 TL 의 비공진성으로 인한 낮은 손실, 넓은 대역폭을 보완하기 위함.

 (RH TL ⇔ series L/shunt C) ↔ (LH TL ⇔ series C/shunt L)

 cell 의 크기를 λg 보다 매우 작게 한다면 비공진성 LH 매질을 만들 수 있음을 보임.

 TL 구조는 그림 (a) 와 같이 interdigital cap. 과 shunt stub ind. 로 구현.

 신호 인가 - interdigital cap. 에 magnetic flux 발생 (series LR) – 위/아래 도체 사이의 전압차 (shunt CR) → Left-handed 특성에 Right handed 특성이 함께 존재하는 구조.

 TL unit cell 의 주파수 별 특성

 낮은 주파수에서 LR은 short, CR은 open

→ CL과 LL, 즉 left-handed 특성을 나타내는 

    소자의 조합만 남음. (high-pass 특성)

 높은 주파수에서 CL은 short, LL은 open

→ CR과 LR, 즉 right-handed 특성을 나타내는

    소자의 조합만 남음. (low-pass 특성)

 PBG 구조는 cell 의 주기 p 가 λg/2 의 정수배가 되는 주파수에서 동작

(a) 에서  2p∙sinθ = mλg,  m = 0, 1, 2, … 일 때 보강 간섭이 일어나서 강한 회절(반사)가 나타나는데 

이는 LH 매질에서의 굴절과 비슷한 특성(하지만 회절/산란). (AB = BC = p∙sinθ 이고, nλg=2p∙sinθ : 위상차가 파장의 정수배이므로 진폭이 2배.)

 반면 LH MTM 에서는 cell 의 주기가 파장에 비해 매우 짧으므로 격자 간 위상차로부터의 간섭 현상 없음. 실제 음의 굴절현상이 발생.