표면파(Surface Wave)

[경고] 아래 글을 읽지 않고 "표면파"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.

1. 프레넬 방정식

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[그림 1] 마이크로스트립 선로(microstrip line)의 굽힘(출처: wikipedia.org)

[그림 2] 표면파의 전력 분포(출처: [1])

[그림 1]과 같이 서로 다른 유전체층을 가진 전송선로에 불연속이 존재하면 필연적으로 표면파(surface wave)가 발생한다. 표면파는 [그림 2]처럼 서로 다른 매질의 경계면에 붙어서 전자파 전력을 전송할 수 있다. 마이크로스트립 선로(microstrip line)처럼 공기에 비해 상대적으로 유전율이 높은 영역에 전력이 분포되며, 공기층에서는 전자파 전력이 지수적으로 감소한다. 대부분의 응용에서 표면파는 불필요하게 전자파 전력을 뺏어서 삽입 손실(insertion loss)을 높이는 원인이 된다. 그래서 초고주파 회로를 설계할 때 표면파를 최대한 줄이는 방향으로 최적화한다.

[그림 3] 표면파 통신의 장점(출처: [1])

FSC: 자유 공간 통신(free-space communication), SWC: 표면파 통신(surface wave communication)

최근에는 표면파를 회피하지 않고 표면파가 가진 저손실 특성을 극대화함으로써 표면파가 존재하는 근처에서만 효율적으로 통신할 수 있는 표면파 통신(surface wave communication, SWC)이 다양하게 연구되고 있다[1]. 이때 표면파는 전력이 표면에만 존재하므로 전자파의 전송 관점에서는 거의 2차원 분포에 해당한다. 이로 인해 전기장은 $1/\sqrt{\rho}$, 전자파 전력은 $1/\rho$ 비율로 감소해서 자유 공간 대비 손실에 강점을 가진다. 여기서 $\rho$은 송수신 사이의 거리이다.

[참고문헌]

[1] K.-K. Wong, K.-F. Tong, Z. Chu, and Y. Zhang, "A vision to smart radio environment: Surface wave communication superhighways," IEEE Wirel. Commun., vol. 28, no. 1, pp. 112–119, Feb. 2021.