일반적으로 많이 사용되는 X-band (8~12Ghz) Waveguide 의 모드를 아래에 나타내었다.
Dominent mode : TE10 , cutoff freq. = 6.562Ghz
Second mode : TE20 , cutoff freq. = 13.123Ghz
Third mode : TE01 , cutoff freq. = 14.764Ghz
Skin Effect
Skin Effect(표면효과)란?
고주파 신호를 다룰 때 한가지 알아두어야 할 것이 바로 금속에서의 표면효과이다. 표면효과란 주파수가 올라갈 수록 교류전류는 금속의 내부가 아니라 표면에 집중되어 흐른다는 것을 의미한다. 저주파에서는 금속의 내부를 전하가 이동하면서 신호가 오가지만, 고주파에서는 도체 표면을 따라 전하가 오간다.
이 성질이 특별히 설계에 제한이 되는 요소는 아니지만, 구조설계시 나름대로 고려해야할 부분이 된다. 예를 들 어 이 성질을 잘 이용하면 굳이 도전율이 좋은 금이나 은을 전체에 사용할 필요 없이 외부에 coating 함으로써 고주파의 전도율을 높일 수 있다. 이것은 3D simulation 시에 더욱 유용하게 활용되는데, 고주파에서는 금속 내부에 field 가 존재하지 않기 때문에 금속내부는 아예 계산하지 않음으로써 많은 시간을 절약할 수 있다. 반면 이문제 때문에 저주파에서의 해석 정확도를 보장하기 어려운 문제점도 있긴 하다.
Skin depth
표면효과를 수치적으로 나타낸 수식으로서, 주파수와 금속성분의 관계에 따라 전류가 어느정도 깊이까지 침투하 느냐를 나타낸 수식이다. 이것을 통해 고주파 전도에 적절한 금속의 두께를 알아낼 수 있다.
유전율 (Permittivity)
유전율이란?
유전율(Permittivity : ε)이란 유전체(Dielectirc Material), 즉 부도체의 전기적인 특성을 나타내는 중요한 특 성값이다. 유전율은 DC 전류에 대한 전기적 특성을 나타내는 것이 아니라 AC 전류, 특히 교류 전자기파의 특성 과 직접적인 관련이 있다. 아래 그림을 통해 보면, 유전체(부도체)에서의 유전율의 의미를 개념적으로 이해할 수 있을 것이다. 평소에 너저분한 방향으로 각자 흩어져있던 +- moment 성분은 외부에서 걸린 전자계의 교류 변 화에 맞추어 정렬된다. 이렇듯 외부의 전자계의 변화에 대해 물질 내부의 +- moment 가 얼마나 민감하게 잘 반 응(정렬)되느냐의 정도를 유전율이라고 표현할 수 있다.
유전율은 복소수로 정의되며, 아래와 같은 수식으로 나타낸다.
(비유전율)
유전율의 실수부는 전자파의 파장과 propagation 과 관련된 항목이며, 허수부는 손실과 관련된 항목이다. 실제
로는 유전율 전체 값을 사용하기 보다는 언제나 일정한 ε0 를 제외한 값, 즉 비유전율 εr 만을 특성값으로 사용한 다. 여기서 허수부 j 앞의 -값은 특별한 수학적 의미는 없으며, 공학계에서는 -j 를 허수구분자로, 물리학계에서는 +i 를 허수구분자로 사용하는 것에 기인한다. 물론 실제 복소계산시에는 수식적으로 계산되지만, 공학계에서는 기본적으로 -j 를 사용할 뿐이라는 점만 납득하면 된다. 예를 들어 유전율이 10 - j 0.04 라면, 유전율의 허수부 는 -0.04 가 아니라 그냥 0.04 이다.
비유전율 ( εr : Relative Permittivity)
위의 수식과 설명에서 보여지듯이 실제로는 비유전율값만을 특성 지표로 사용한다. 비유전율이란 말 그대로 공 기를 1 로 놓고 그에 비례한 각 유전체의 유전율을 의미하는 것으로서, 지저분한 수치가 곱해져있는 전체 유전율 보다 훨씬 깔끔하게 표현되게 때문에 애용된다. 그런데 실제로 연구자나 개발자들이 용어 사용시에는 '비'라는 말 이 귀찮아서인지 생략하는 경향이 있어서, 보통 유전율특성에 대해 논하는 경우의 수치값은 대부분 비유전율을 지칭하는 경우이다.
비유전율의 실수부와 허수부 역시 유전율과 똑같이, 실수는 propagation 관련, 허수는 loss 관련한 항목이다.
그래서 이러한 분류에 의거하여 실수부와 허수부가 다음과 같은 용어로 구분된다.
Dielectric Constant : Loss Tangent :
실제 Loss tangent 값을 무시하고 쓰는 경우가 많기 때문에, 보통 '유전율이 얼마인가요?'라는 질문은 비유전 율의 실수부, 즉 Dielectric Constant 만을 지칭하는 경우가 많다. 초심자들이 이러한 유전율이라는 용어에 대 해 이래저래 헷갈려 하는 경우를 많이 보게 되는데, 위의 수식과 내용을 잘 읽고 이해하면 납득이 갈 것이다. 보통 유전율이라고 말하는 건 비유전율을 의미하며, 그중에서도 주로 실수부인 Dielectric Constant 를 지칭한다는 점을 이해하도록 한다.
(비)유전율값의 의미
유전율이 크다는 것은 어떤 의미일까? 반대로 작은 경우에는 어떤 특성을 가지는 것인가? 사실 유전율이 어떤 의 미이냐라는 문제보다는 유전율값이 의미하는 특성을 제대로 이해하는 것이 더 중요하다고 볼 수 있다. 일단 유전 율이 높다는 의미는 기본적으로 전기에너지가 잘 전달된다는 의미로 비슷하게 이해할 수 있다. 이것은 AC 냐 DC