THz 대역의 주파수 범위는 일반적으로 100GHz ~ 10THz 사이로서, 전자파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가지고 있다. THz 캐리어 주파수는 대기의 수분에 강하게 흡수되어 1THz 이상에서 1 [dB/m] 정도의 대기 전파감쇠가 발생하나 0.1 [dB/m] 정도의 비교적 낮은 주파수 윈도우가 존재하여 이 영역의 주파수 스펙트럼을 이용한 무선통신시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 RF MMIC의 기술개발 동향을 고려해 볼 때 무선통신시스템 응용을 위한 가장 유력한 THz 주파수 대역은 H-밴드(220 ~ 325GHz)이다. H-밴드에서 가용한 주파수 대역폭은 약 45GHz 이상이며, 이러한 초광대역폭을 이용하여 10Gbps급 이상의 데이터 전송속도를 ASK 또는 BPSK와 같은 간단한 변조방식으로 용이하게 실현할 수 있다. 본고에서는 THz 대역에서 무선통신 응용을 위한 전파특성 및 주파수 대역, 무선링크 특성과 THz 송수신기 기술에 대하여 알아본다.
최근에 전세계적으로 THz 대역에 관한 연구가 점차 늘고 있는 추세에 있다. THz 대역에서의 연구는 아직까지는 기초적인 학문으로서의 성격이 강하지만 최근의 연구동향을 보면 점차 응용기술으로서의 중요성도 함께 강조되고 있는 경향을 보이고 있다 THz파 대역은 전통적인 광학과 마이크로파 대역의 중간에 위치하고 있으며 우리가 흔히 말하는 빛과 전자기파의 성질을 모두 가지고 있기 때문에 매우 흥미로운 연구대상이라고 할 수 있으며 상대적으로 연구가 거의 되어 있지 않은 마지막 주파수 대역이라고 할 수 있다. (중략)
테라헤르츠(THz) 대역은 중적외선(mid-IR)과 밀리미터파(millimeter wave) 사이의 증가 주파수 영역으로서, 다른 전자기파 대역에 비하여 개발 및 활용이 극히 미흡하지만 기존의 전자기파로는 얻어낼 수 없는 탁월한 기능, 즉 통신에 필요한 초고속 광대역, 신기능 센싱 및 새로운 영상정보 등을 제공한다. 이러한 THz 기술이 발전함에 따라 초고속 근거리 무선통신과 함께 센싱 및 영상기술은 생화학 및 의료공학적인 검사와 측정 등 여러 분아에 걸쳐 대단한 영향을 미치고 있다. 그러나 현재의 THz 시스템 기기는 규모가 큰 편이어서 실험실 등 실내 용도로 한정된 상태이다. 이동이 가능한(mobile) 소형화한 THz 시스템은 그 활용범위를 크게 넓힐 수 있으며 새로운 시장을 창출할 수 있다.
THz 대역 전파흡수체를 구현하기 위해 split cut wire(SCW)와 배면 도체로 구성되는 단위 셀 구조를 제안하였다. 배면이 금속으로 단락된 유전체 기판 상에 SCW가 배열된 메타소재에서 SCW의 길이와 폭을 조절하여 THz 대역에서 완전 전파흡수체(5.5~6.0 THz에서 반사손실 -20 dB 이하)의 구현이 가능하였고, 인덕턴스-커패시턴스 (L-C) 공진기 회로이론으로 이를 설명하였다. 길이가 서로 다른 두 개의 SCW를 하나의 단위 셀 안에 같이 배치함으로써 두 개의 흡수 피크를 얻을 수 있었다. SCW 간의 간격이 넓어짐에 따라 두 번째 공진주파수는 거의 변화가 없지만 첫 번째 공진주파수는 저주파로 이동하면서 반사손실 값이 현저히 감소하는 경향이 나타났다.
미사용 주파수 대역의 전파 자원인 테라헤르츠(THz)파의 특징을 살려서 고속 대용량 고신뢰 무선네트워크(인프라)의 구축, 끊김없는(seamless) 접속과 비압축 무선전송 기술 확보, 고도의 사회 보안 감시 기술을 확보하면, 비상사태(재해 및 재난) 시 안전 안심 사회를 실현하는 데 기여할 수 있는 새로운 THz 기술 및 서비스를 제공할 수 있다. 특히, 재해 및 재난 현장에서 확산되는 유독성 가스의 센싱이나 인명(생명체) 탐색용 이미지 확보에 THz 기술을 활용하여, 재난자 구조와 2차 재해 방지에서 중요한 역할을 하는 등, 재해 및 재난 현장에서 발생되는 피해를 최소화시키는 데에 공헌할 수 있다. 테라헤르츠 대역용 원격(remote) 분광 센싱 시스템과 이미징 시스템의 연구 결과(사례)와 이러한 THz 응용 시스템을 구성하는 중요한 요소기술들을 소개하고, 향후의 연구개발 내용 및 기술전망에 대해서 리뷰(평설)한다.
테라헤르츠 대역(100GHz-10THz)은 광파와 전파의 경계 영역에 존재하며 기술적으로 뒤늦게 개발된 주파수 대역으로 테라헤르츠 대역을 개척하기 위해 최신의 레이저기술, 반도체 기술 및 고온초전도 기술을 사용하는 새로운 전자기파 기술로 발전하였다. 테라헤르츠 전자파 펄스는 펨토초 광펄스에 의한 초고속 광스위치(광전도 안테나),반도체 표면, 양자우물 구조 등의 여기(excitation)에 의해 발생하고, 두 가지 연속파(CW) 레이저 빔을 혼합하면 주파수 가변의 테라헤르츠 전자파가 발생한다. 본 논문에서는 이와 같은 THz 전자파 펄스의 발생 및 검출과 THz 응용분야에 대해 기술하고자한다.
본 논문에서는 중심주파수 30 GHz에서 3 dB 대역폭(fractional bandwidth)이 50 % 이상인 마이크로스트립 대역통과필터(BPF)를 구현하였다. 구현된 BPF는 10 Gb/s 무선전송 THz 송수신기를 위한 IF 대역에서의 ASK(Amplitude Shift Keying) 방식 송수신용 필터로서 이용하고자 한다. 초광대역 특성을 갖는 마이크로스트립 BPF는 스텝 임피던스 저역통과필터(LPF)와 합성된 ${\lambda}_g/4$ 단락 스터브로 구성되며, LPF는 BPF의 상위 저지대역을 감쇠시키기 위해 사용되었고, ${\lambda}_g/4$ 단락 스터브는 하위 저지대역을 감쇠시키기 위해 사용되었다. 합성 BPF의 측정 결과, 중심주파수 30 GHz에서 삽입손실은 0.65 dB, 10 GHz와 50 GHz에서 저지 특성은 각각 -10 dB와 -16 dB이며, 20~40 GHz 통과대역에서 평탄도는 ${\pm}0.5$ dB로 측정되었다.
본 논문에서는 초소형의 광섬유 결합형 테라헤르츠 모듈을 이용하여 테라헤르츠 시간영역 분광 및 영상 시스템을 구성하였다. 구성된 THz 분광 시스템을 이용하여 3 THz 이상의 자유공간에 분포되어 있는 수분의 고유 흡수 스펙트럼을 관측하였고 테라헤르츠 대역에서의 Si, $Al_2O_3$, GaAs기판에 대한 굴절률을 측정하였으며 측정을 위해 다중 반사를 고려한 전달 함수를 이용한 굴절률 측정 방법을 이용하였다. 또한, 테라헤르츠 영상 시스템을 이용하여 의료용 칼과 클립을 측정하여 250 ${\mu}m$ 간격으로 $192{\times}89$ 픽셀의 영상을 얻었다.
주파수 안정성 이 우수한 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 연속파(Continuous Wave: CW) 신호를 발생시키기 위하여 상관관계가 큰 서로 다른 두 파장의 광 신호를 비팅(beating) 시켜 광 혼합(photomixing) 방법에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 광 반송파가 억압된 양측 대역(Double Sideband-Suppressed Carrier: DSB-SC) 방식은 단일 파장 광 신호를 국부 발진기와 광 변조기를 이용하여 CW 변조함으로써 상관관계가 큰 서로 다른 두 파장의 광 신호를 생성하는 방법이다. 본 논문에서는 DSB-SC를 이용한 광 혼합 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 CW신호 발생 방법에서 광 반송파 억압 레벨에 따른 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 CW 신호의 파워 및 위상 잡음 특성을 수치적으로 분석하고 실험적으로 증명하였다. 측정 결과, 광 반송파의 억압 레벨에 따라서 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 CW 신호의 파워와 위상 잡음이 각각 23.9 dB와 21 dBc/Hz(@ 1 MHz offset frequency) 개선됨을 확인하였다. DSB-SC 방법을 다룬 기존 문헌에서는 직관적으로 광 반송파 억제 레벨을 중요성을 언급하였으나, 본 논문에서는 수식 및 측정 데이터에 기반한 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 CW신호의 특성 향상을 위한 광 반송파 억제 레벨의 중요성을 확인하였다. 따라서 본 논문의 결과는 광 혼합 방법을 이용한 밀리미터파 및 테라헤르츠파 대역 CW 신호 발생 연구를 위한 기본적인 데이터로서 활용 가치가 높다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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