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KR101756816B1 - 소형화된 단위구조의 반복 배열을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조 - Google Patents

소형화된 단위구조의 반복 배열을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조 Download PDF

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KR101756816B1
KR101756816B1 KR1020160068336A KR20160068336A KR101756816B1 KR 101756816 B1 KR101756816 B1 KR 101756816B1 KR 1020160068336 A KR1020160068336 A KR 1020160068336A KR 20160068336 A KR20160068336 A KR 20160068336A KR 101756816 B1 KR101756816 B1 KR 101756816B1
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KR
South Korea
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frequency
selective surface
pattern
frequency selective
surface structure
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Active
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KR1020160068336A
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Inventor
홍익표
이인곤
Original Assignee
공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단일 평면 위에 소형화(miniaturized)된 단위구조의 반복 배열을 통해 입사파의 편파 및 입사각에 대하여 안정적인 주파수 특성을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조에 관한 것으로, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조(FSS, Frequency Selective Surface)는 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체층 및 상기 유전체층의 상면에 배치되고, 육각 형태의 단위 셀(unit cell)이 프랙탈(fractal) 구조로 반복 배열되어 형성되는 박막 형태의 패턴층을 포함하고, 상기 육각 형태의 단위 셀은, 일정 반경을 가지는 중심부 및 상기 중심부를 기준으로 60도 간격으로 각도 이동되며 배치되는 정삼각형의 루프부를 포함하여 구성되며, 상기 루프부는, 상기 중심부에 배치되는 정삼각형의 꼭지점과 마주보는 대변에 일정 간격의 갭이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

소형화된 단위구조의 반복 배열을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조{SCALABLE FREQUENCY SELECTIVE SURFACE WITH MINIATURIZED UNIT CELL}
본 발명은 주파수 선택 표면구조(FSS, Frequency Selective Surface)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단일 평면 위에 소형화(miniaturized)된 단위구조의 반복 배열을 통해 입사파의 편파 및 입사각에 대하여 안정적인 주파수 특성을 가지면서, 단순히 단위구조의 크기변화(scaling)만으로 원하는 동작 주파수의 구현을 가능하게 할 수 있는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조에 관한 것이다.
주파수 선택 표면구조(FSS, Frequency Selective Surface)는 사용자가 원하는 주파수를 선택적으로 통과 혹은 차단시킬 수 있도록 인공적으로 제작된 곡면 또는 평면의 3차원적 표면구조(surface)를 의미한다.
단위구조(unit cell)가 동일 간격으로 무한히 배열되는 주기구조(periodic structure)의 대표적인 응용 분야인 주파수 선택 표면구조는 구성하고 있는 단위구조의 기하구조, 배열 주기 및 배치(element arrangement) 등으로부터 입사 전자기파의 특정 주파수 대역을 통과 또는 반사시키는 특성을 갖는 전자기 구조이다.
이러한 요소로부터 발생한 등가 인덕턴스 및 커패시턴스 성분에 의해 공진 주파수가 결정되며, 단위구조의 도전율, 단위구조를 지지하고 있는 유전체의 유전율 및 두께 그리고 입사 평면파의 입사각 및 편파 등이 FSS 구조의 감쇠 성능 및 대역폭 등을 결정한다.
특정 주파수의 통과 또는 반사시키는 전기적 특성을 이용한 대표적인 연구로는 마이크로파 흡수체, 안테나 이득 향상 기법, 간섭 신호 제어 기술 또는 RFI(Radio-Frequency Interperence) 차폐 또는 EMI(Electro Magnetic Interference) 차폐 기술 그리고 국방 관련 피탐지 기술 등 다양한 분야에서 연구되고 있다.
전통적인 방식의 주파수 선택 표면구조는 유전체 위해 전도성 패턴이 배열된 단일 평면 형태로 구성되며, 대표적인 패턴의 형상으로는 십자 다이폴(crossed-dipole), 예루살렘 크로스(jerusalem-crossed) 등의 중앙 연결형 타입(N-pole type)과 사각 루프(square-loop), 십자형 루프(four-legged loaded element loop), 원형 링(circular ring) 등의 루프 형 타입(loop type) 등이 있다.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허 제10-2006-0118813호 및 대한민국 공개특허 제10-2012-0072018호가 있다.
공개특허 제10-2006-0118813호는 공간 필터 설계 방법에 관한 것으로, 주파수 선택구조(FSS, frequency selective surface)의 단위 셀 구성 시, 사각형 모양 루프를 꼬불꼬불하게 적어도 한번 구부려, 꼬불꼬불하게 꺾인 사각형 모양 루프의 길이를 조정하는 단위 셀 구성 단계 및 상기 FSS를 기하학적으로 동일한 단위 구조들의 배열(단위 셀 배열)로 구성하여 공진주파수를 튜닝하는 단위 셀 배열단계를 포함하는 단일 주파수 대역 필터링을 위한 공간 필터 설계 방법에 대한 기술이 개시되고 있다.
또한, 공개특허 제10-2012-0072018호는 전자파 흡수 장치에 관한 것으로, 한 쪽 방향이 금속 도체층으로 형성된 접지층과, 접지층 상에 형성된 유전체층, 그리고 유전체층 상에 형성된 저항성 재질로 이루어진 단위셀 패턴을 포함하는 둘 이상의 단위셀이 주기적으로 배열되어 있는 주기 구조로 이뤄어져 전자파를 흡수할 수 있는 기술이 개시되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래기술에서는 주파수 선택 표면구조를 설계하는 경우, 패턴구조의 복잡성으로 인해 다층기판에 적용하기 어려운 문제점이 있고, 또한 입사 각도에 따라 전자파 흡수 특성이 가변되고 있어, 입사각이 변경되는 경우 선택된 특정 주파수 대역의 전자파 흡수율이 낮아지므로 특정 주파수의 차폐가 어렵다는 단점이 있다.
전통적인 방식의 FSS 구조로는 파장에 의해 결정되는 단위구조의 크기의 문제로 인하여 안정적인 성능을 얻기 어렵고, 입사파의 편파 및 입사각 등 낮은 주파수 응답 안정성으로 인하여 평면구조 이외의 곡면형 등 다양한 형태에 적용이 어려운 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2006-0118813호 대한민국 공개특허 제10-2012-0072018호
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 루프형 구조의 반복으로 구성된 육각 형태의 패턴을 통하여 안정적인 주파수 응답을 갖는 대역 저지 특성의 소형화된 주파수 선택 표면구조(FSS,Frequency Selective Surface)의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 단순히 단위 구조(unit cell)의 크기를 변화시킴으로써 원하는 동작 주파수를 구현할 수 있는 대역 저지 특성의 소형화된 주파수 선택 표면구조(FSS,Frequency Selective Surface)의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 소형화된 단위구조의 반복 배열을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조는 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체층 및 상기 유전체층의 상면에 배치되고, 육각 형태의 단위 셀(unit cell)이 프랙탈(fractal) 구조로 반복 배열되어 형성되는 박막 형태의 패턴층을 포함하고, 상기 육각 형태의 단위 셀은, 일정 반경을 가지는 중심부 및 상기 중심부를 기준으로 60도 간격으로 각도 이동되며 배치되는 정삼각형의 루프부를 포함하여 구성되며, 상기 루프부는, 상기 중심부에 배치되는 정삼각형의 꼭지점과 마주보는 대변에 일정 간격의 갭이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조는, 상기 루프부가 일정 선폭을 가지는 제 1 삼각형 패턴과, 상기 제 1 삼각형 패턴과 일정 간격 이격되어 상기 제 1 삼각형 패턴을 감싸면서 외측에 배치되고, 상기 제 1 삼각형 패턴과 동일한 선폭을 가지는 제 2 삼각형 패턴으로 이루어지며, 상기 제 1 삼각형 패턴의 양 끝단과 상기 제 2 삼각형 패턴의 양 끝단이 각각 연결되어 상기 갭을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조는, 상기 패턴층이 전도성 재질로 이루어지고, 상기 유전체층은 폴리이미드(polyimide) 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조는 상기 육각 형태의 단위 셀의 크기가 공진 주파수에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 소형화된 단위구조의 반복 배열을 가지는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조에 따르면, 루프형 구조의 반복으로 구성된 육각 형태의 패턴을 통하여 전 대역에 걸쳐 안정적인 주파수 응답을 갖는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 소형화된 전도성 패턴이 얇은 두께를 가진 유전체의 윗면에 배치된 단위구조를 바탕으로 기존 복잡한 패턴을 통한 소형화 기법의 높은 설계 복잡도에 대한 단점을 개선할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 본 발명의 주파수 선택 표면구조에서는 복잡한 설계의 변경없이 단위 구조(unit cell)의 크기만을 변화시킴으로써 원하는 동작 주파수를 구현할 수 있는 기술적 특징이 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조의 기하학적 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 대역폭의 변화와 설계 변수의 변화에 따른 입사파의 편파 및 입사각 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 유전체의 두께(T=0.2㎜)에 대하여 복소 유전율의 변화에 따른 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 유전체의 두께에 따른 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 원형 링 및 십자형 루프 구조에서 Dring, Lfour, Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 입사각 0°, 30°에 대한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 Dring, Lfour, Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 입사각 0°, 30°에 대한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 입사파의 편파 TE, TM과 입사각 0°, 30°에 대한 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 주파수 대역에 대한 소형화된 주파수 선택 표면구조의 외형을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는, 도 10의 각 구조에서 편파와 입사각의 변화에 따른 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 주파수 선택 표면구조의 기하학적 패턴을 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조(10)는 유전체층(10) 및 이 유전체층(100)의 상면에 배치되는 박막 형태의 패턴층(200)을 형성될 수 있다.
유전체층(100)는, 예를 들어 폴리이미드(polyimide) 재질 등을 포함하는 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태로 이루어질 수 있으며, 목적 및 용도에 따라 다양한 형태 및 재질을 사용하여 구성될 수 있다.
유전체층(100)의 상면에는 예를 들어, 구리 등 전도성 재질을 포함하고 박막 형태로 이루어지는 패턴층(200)이 형성될 수 있다.
이 패턴층(200)은, 도면에 나타낸 바와 같이, 육각 형태의 단위 셀(unit cell)(210)이 프랙탈(fractal) 구조로 일정 간격(Gelement)이 이격된 상태로 반복 배열되어 형성될 수 있다.
패턴층(200)을 이루는 육각 형태의 단위 셀(210)은 일정 반경을 가지는 중심부(220)와, 이 중심부(220)를 기준으로 60도 간격으로 각도 이동되며 배치되는 정삼각형의 루프부(240)로 구성될 수 있다.
루프부(230)는 중심부(220)에 배치되는 정삼각형의 꼭지점과 마주보는 대변에 일정 간격의 갭(240)(Gneck)이 형성되는 것으로, 구체적으로 루프부(23)는 일정 선폭(W)을 가지는 제 1 삼각형 패턴(231)과, 제 1 삼각형 패턴(231)과 동일한 선폭(W)으로 일정 간격(Gtriangle) 이격되어 제 1 삼각형 패턴(231)을 감싸면서 외측에 배치되는 제 2 삼각형 패턴(232)으로 이루어질 수 있다.
도면에 나타낸 바와 같이, 제 1 삼각형 패턴(231)의 양 끝단과 상기 제 2 삼각형 패턴(232)의 양 끝단이 각각 연결됨으로써 갭(240)을 형성하고 있으며, 특히, 육각 형태의 단위 셀(210)을 이루고 있는 6개의 루프부(230), 즉 각각의 제 1 삼각형 패턴(231) 및 제 2 삼각형 패턴(232)은 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조(10)는 제 1 삼각형 패턴(231)의 변의 길이(Lin)와 제 2 삼각형 패턴(232)의 변의 길이(Lout)의 관계를 다음의 관계식으로 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112016053056033-pat00001
여기서, W는 선폭, 그리고 G는 선 및 단위 셀(210)의 간격을 나타낸다.
또한, 육각 형태의 원형 배열에 대한 외경 및 내경을 위한 R1 및 R2의 관계는 다음의 관계식 2 및 3을 통해 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure 112016053056033-pat00002
[식 3]
Figure 112016053056033-pat00003
상기 관계식들을 통해 Lin과 R1은 Lout 변수와 종속 관계에 있음을 확인할 수 있다.
상기와 같이 육각 형태의 대칭적인(symmetric) 구성을 통해 직교 관계에 있는 서로 다른 두 편파 TE, TM에 대한 안정성 확보가 가능하며, 반복된 프랙탈 형상을 통한 소형화된 단위구조로부터 입사파의 입사각에 대한 안정적인 성능을 확보할 수 있는 특징을 가지고 있다.
특히, 본 발명에 따른 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조에서 육각 형태의 단위 셀(210)의 크기, 즉 변수 Lout의 크기는 공진 주파수에 따라 결정될 수 있다.
[실시예]
단위구조 전체 형상의 크기를 결정하는 변수 Lout을 구조의 전기적 길이 즉, 공진 주파수를 결정하는 주요 설계 변수로 가정하여 'Ansoft HFSS의 Floquet'시뮬레이션을 통해 설계 변수 Lout의 변화에 따른 주파수 응답을 확인하였다.
전도성 패턴의 선폭 W=0.15㎜, 선 간격 및 단위 셀 간 간격 G=0.25㎜, 유전체의 유전율 εr=4.4, 탄젠트 손실 tanδ=0.02로 가정하고, 입사파의 편파 TE, TM 및 입사각 0°, 30°에서의 투과 특성을 관찰하였다.
설계된 소형화된 주파수 선택 표면구조(FSS) 패턴의 안정적인 주파수 응답 성능을 확인하기 위해, 유전체의 두께(T)를 제작 가능한 최소인 T=0.2㎜로 가정하여 'dielectric loading effect'가 최소화된 구조의 해석을 진행하였다.
수직으로 입사하는 입사 평면파(0°)에 대한 해석 결과로부터, Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 도 3의 (a) 및 (b)에 나타내고, 대역폭의 변화와 각각 설계 변수의 변화에 따른 입사파의 편파 및 입사각 특성을 도 4에 나타냈다.
도면에 나타낸 바와 같이, 해석 결과로부터 Lout이 2.25-6.75㎜로 변화함에 따라 공진 주파수(Resonant frequency)는 TE(0°) 기준 8.3-1.9㎓로 변화하며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 편파와 입사각 변화에 매우 안정적인 주파수 응답 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
해석 결과로부터 공진 주파수, 공진 주파수의 편차(offset)와 -10dB 대역폭(FBW, Fractional Bandwidth)을 다음과 같이 정리할 수 있다.
Lout
(㎜)		 fr
(㎓)		 Frequency
offset(%)		 λr/W FBW
(㎓)
TE@30° TM@30° TE@0°
2.25 8.277 0.31 0.51 241.6 2.856
2.50 7.087 1.19 1.19 252.2 2.536
2.75 6.051 -0.85 -0.42 330.6 1.995
3.25 4.818 0.01 -0.78 415.1 1.661
3.75 4.002 3.35 -2.54 499.8 1.419
4.75 2.906 -1.17 -1.46 688.4 0.915
6.5 1.979 0.85 -0.43 1010.6 0.582
<Lout에 대한 공진 주파수 및 FBW>
표 1에 나타낸 바와 같이, Lout이 작아짐에 따라 공진 주파수는 높은 주파수 대역으로 이동하고, 대역폭은 넓어지는 경향을 확인할 수 있다.
대역폭에 영향을 주는 주요 변수인 선폭 W는 고정된 수치로, 공진 주파수가 높은 대역으로 이동함에 따른 파장(λr) 대비 선폭(W)의 비율은 커지고 P/λr의 비율 및 등가 커패시턴스를 증가시키며, 대역폭을 결정하는 등가 임피던스의 관계(
Figure 112016053056033-pat00004
)로부터 Lout의 변화에 따른 대역폭의 변화를 예상할 수 있음은 물론, W를 통해 대역폭 조절이 가능함을 알 수 있다
주파수 선택 표면구조를 지지하고 있는 유전체는 일반적으로 단면(single side) 또는 양면(sandwiched) 등의 적용 방식에 따라 주파수 선택 표면구조의 투과 또는 반사 특성에 큰 영향을 주며, 대표적으로 유전체의 유전율(εr)과 유전손실(tanδ)로 인한 주파수 선택 표면구조 성능 변화가 있다.
주파수 선택 표면구조의 한쪽 면에 유전체가 있는 단면 구조의 경우, 유전체의 복소 유전율(εr)과 공진 주파수(fr)와의 관계(
Figure 112016053056033-pat00005
)로부터 유전율이 증가함에 따라 공진 주파수가 낮은 쪽으로 이동하는 등 동작 주파수에 영향을 미치며, 매질 내에서 전파의 손실되는 정도를 나타내는 유전 손실은 그 값이 증가함에 따라 지수함수 형태로 주파수 선택 표면구조의 감쇠 성능을 저하시킬 수 있다.
이러한 유전체의 전기적 특성에 의한 주파수 선택 표면구조의 주파수 응답특성을 분석하기 위해, 유전체의 유전율 및 두께 변화에 따른 투과 손실 특성을 관찰하였으며, 해석 구조의 설계 변수는 해석시간을 고려하여 Lout=4.75㎜, W=0.15㎜, G=0.25㎜로 가정하였다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 유전체의 두께(T=0.2㎜)에 대하여 복소 유전율의 변화에 따른 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6은 주파수 선택 표면구조에서 유전체의 두께에 따른 투과 손실 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 공진 주파수는 유전율이 높아질수록 공진 주파수가 낮은 쪽으로 이동하는 경향을 보이며(3.64-2.26㎓), 유전율에 따라 0.069λ-0.198λ 크기를 가진 소형화된 주파수 선택 표면구조의 설계가 가능함을 알 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 탄젠트 손실을 tanδ=0.02으로 고정한 뒤 T=0.2 ~ 6㎜로 변화함에 따른 투과 손실 변화를 관찰하였으며, 유전체의 두께가 증가할수록 공진 주파수는 낮은 쪽으로 이동하며(2.91-2.44㎓), 2.4㎓ 대역으로 수렴하는 경향을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조의 안정적인 주파수 응답 특성을 비교 검증하기 위해, 전통적인 단위 셀의 형태인 원형 링 구조(circular ring)와 십자형 루프 구조(four-legged loaded element)를 설계하여, 패턴의 폭 W=0.15㎜, 패턴 간 간격 G=0.25㎜ 그리고 유전체의 두께(T=0.2㎜) 및 전기적 특성(εr=4.4, tanδ=0.02) 등의 조건을 고정한 뒤 공진 주파수를 결정하는 각각의 주요 설계 변수 변화에 따른 주파수 응답 안정성(TE, TM, angular stability) 등을 비교하였다.
도 7의 (a) 및 (b)는 원형 링 및 십자형 루프 구조에서 Dring, Lfour, Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 입사각 0°, 30°에 대한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서 Dring, Lfour, Lout의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 입사각 0°, 30°에 대한 결과를 나타내는 그래프이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 원형 링 구조에 대한 투과 손실 특성(도 7의 (a))과 관련하여 Dring,이 8~24㎜까지 변화함에 따라 공진 주파수는 2.46-8.89㎓(TE,0°)로 변화하며 4-6GHz 대역을 제외한 나머지 대역에서 편파와 입사각 변화에 대해 최대 0.561GHz의 공진 주파수 차이를 확인할 수 있다.
십자형 루프 구조의 투과 손실 특성(도 7의 (b))과 관련하여, 변수 Lfour가 로 변화함에 따라 공진 주파수는 2.46-8.89GHz (TE,0°)로 변화하며 5GHz 이하의 대역에서 편파 및 입사각 변화에 대해 최대 0.544GHz의 공진 주파수 차이를 보이는 등, 원형 링 구조와 마찬가지로 불안정적인 주파수 응답특성을 확인할 수 있다.
반면에, 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 표면구조에서는 변수 Lout가 2.25~6.75㎜로 변화함에 따라 공진 주파수는 8.27-1.89GHz(TE,0°)로 변화하며, 편파와 입사각의 변화 대해 최대 0.195GHz의 공진 주파수 차이로부터 전통적인 구조에 비해 안정적인 주파수 응답 특성을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조에 대해 원하는 주파수 대역 (1.89-8.27GHz)에 대하여 안정적인 주파수 특성을 가진 소형화된 주파수 선택 표면구조의 설계가 가능함을 알 수 있다.
이를 통해, 다음의 세 가지 대역 2.5GHz(Lout=5.2㎜, T=0.4㎜), 5GHz(Lout=3.1㎜, T=0.2㎜), 8.2GHz(Lout=2.25㎜, T=0.2㎜) 동작을 목표로 FR4(εr=4.4, tanδ=0.02) 기판을 가정하여 설계하였다.
설계한 내용을 바탕으로 입사파의 편파 TE, TM과 입사각 0°,30°에 대한 투과 손실 특성 분석하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9의 (a)는 TE 모드 기준 입사각 0°, 30° 대한 각각의 계산된 투과 손실 특성으로, 입사각 0° 기준 2.5GHz(Lout=5.2㎜) 구조에 대하여 공진 주파수는 2.52GHz, 대역폭(FBW)은 0.79GHz(31.3%)이며, 5GHz(Lout=5.2㎜) 구조의 공진 주파수는 4.99GHz, 대역폭은 1.51GHz(30.2%), 8.2GHz(Lout=5.2㎜) 구조의 공진 주파수는 8.25GHz, 대역폭 2.76GHz(33.5%)의 주파수 응답 특성을 확인하였다.
입사파의 편파와 입사각에 따라 변하는 공진 주파수의 편차는 각각 최대 0.025GHz(0.9%), 0.018GHz(0.36%), 0.024GHz(0.29%)로 해석 결과로부터 입사파의 편파 및 입사각에 대해 안정적인 특성을 가짐을 확인하였다.
상기 결과를 바탕으로, 700×700㎜ 크기를 가진 주파수 선택 표면구조를 제작하였다.
제작된 소형화된 주파수 선택 표면구조의 투과 손실 특성을 측정하기 위해, 두 개의 독립적인 광대역 혼 안테나로부터 송/수신된 전력의 비를 이용한 주파수 선택 표면구조 투과 특성 측정법인 자유공간 측정법(free-space measurement method)으로 실험을 진행하였다.
제작된 세 가지 대역에 대한 소형화된 주파수 선택 표면구조의 외형을 도 10에 나타내었으며, 도 11의 (a) 및 (b)에는, 도 10의 각 구조에서 편파와 입사각의 변화에 따른 투과 손실 특성을 나타냈다.
측정 결과로부터, TE 모드, 입사각 0°를 기준으로 2.5GHz(Lout=5.2㎜) 구조에 대하여 공진 주파수 2.515GHz, 대역폭(FBW) 0.775GHz(30.8%), 5GHz(Lout=5.2㎜) 구조에 대하여 공진 주파수 4.994GHz, 대역폭 1.5GHz(30%) 그리고 8.2GHz(Lout=5.2㎜) 구조에 대한 공진 주파수 8.232GHz, 대역폭 2.774GHz (33.7%) 가짐을 확인하였으며, 계산된 결과와 매우 잘 일치함은 물론 안정적인 주파수 응답특성을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 단일 평면 위에 소형화된 육각 프랙탈 패턴의 반복 배열을 통해 입사파의 편파(TE,TM)와 입사각(0°,30°)에 대하여 안정적인 주파수 특성을 갖는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조를 제안하였다.
기존 소형화된 주파수 선택적 표면구조의 가장 큰 단점인 높은 설계 복잡도를 개선하였으며, 공진 주파수를 결정하는 주요 설계 변수인 Lout의 조정만을 통해 원하는 대역(8.3-1.9GHz)에서 동작할 수 있는 주파수 선택적 표면구조를 쉽게 설계할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조는 입사파에 안정적인 주파수 응답특성을 가지며, 원하는 대역에서 쉽게 설계할 수 있다는 장점을 바탕으로 건물 내부의 통신환경 개선을 위한 실내 인접 신호로부터의 간섭제어, 주파수 재사용 등의 무선 스펙트럼 관리 등에 응용될 수 있는 특징이 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 주파수 선택 표면구조
100 : 유전체층 200 : 패턴층
210 : 단위 셀 220 : 중심부
230 : 루프부 231 : 제 1 삼각형 패턴
232 : 제 2 삼각형 패턴 240 : 갭

Claims (5)

  1. 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체층; 및
    상기 유전체층의 상면에 배치되고, 육각 형태의 단위 셀(unit cell)이 프랙탈(fractal) 구조로 반복 배열되어 형성되는 박막 형태의 패턴층;을 포함하고,
    상기 육각 형태의 단위 셀은,
    일정 반경을 가지는 중심부; 및
    상기 중심부를 기준으로 60도 간격으로 각도 이동되며 배치되는 정삼각형의 루프부;를 포함하여 구성되며,
    상기 루프부는,
    상기 중심부에 배치되는 정삼각형의 꼭지점과 마주보는 대변에 일정 간격의 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 루프부는,
    일정 선폭을 가지는 제 1 삼각형 패턴과,
    상기 제 1 삼각형 패턴과 일정 간격 이격되어 상기 제 1 삼각형 패턴을 감싸면서 외측에 배치되고, 상기 제 1 삼각형 패턴과 동일한 선폭을 가지는 제 2 삼각형 패턴으로 이루어지며,
    상기 제 1 삼각형 패턴의 양 끝단과 상기 제 2 삼각형 패턴의 양 끝단이 각각 연결되어 상기 갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴층은,
    전도성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은,
    폴리이미드(polyimide) 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 육각 형태의 단위 셀의 크기는 공진 주파수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 대역 저지 동작 주파수 선택 표면구조.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110416683A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 中国计量大学 一种高品质因子全介质超材料环形偶极谐振装置
KR102096770B1 (ko) 2019-02-26 2020-04-03 홍익대학교 산학협력단 투과배열안테나 및 투과배열안테나 설계 방법
KR20220051961A (ko) * 2020-10-20 2022-04-27 일진머티리얼즈 주식회사 방열부재 및 이를 포함한 무선통신기기
CN114937870A (zh) * 2022-05-05 2022-08-23 北京航空航天大学宁波创新研究院 柔性双层频率选择表面及其制备方法
CN115275630A (zh) * 2022-08-26 2022-11-01 中国计量大学 一种新型双层角度稳定双阻带小型化频率选择表面结构

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. Mias외 2인, "An Investigation into the Feasibility of designing Frequency Selective Windows employing periodic structures", THE NOTTINGHAM TRENT UNIVERSITY , 2006년.
이인곤 외1인, "동작 주파수 확장성을 갖는 소형화된 주파수 선택 표면구조 설계", 한국전자파학회, 2016년6월.

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102096770B1 (ko) 2019-02-26 2020-04-03 홍익대학교 산학협력단 투과배열안테나 및 투과배열안테나 설계 방법
US11201415B2 (en) 2019-02-26 2021-12-14 Hongik University Industry-Academia Cooperation Foundation Transmitarray antenna and method of designing the same
CN110416683A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 中国计量大学 一种高品质因子全介质超材料环形偶极谐振装置
CN110416683B (zh) * 2019-07-12 2020-12-11 中国计量大学 一种高品质因子全介质超材料环形偶极谐振装置
KR20220051961A (ko) * 2020-10-20 2022-04-27 일진머티리얼즈 주식회사 방열부재 및 이를 포함한 무선통신기기
KR102424478B1 (ko) * 2020-10-20 2022-07-27 일진머티리얼즈 주식회사 방열부재 및 이를 포함한 무선통신기기
CN114937870A (zh) * 2022-05-05 2022-08-23 北京航空航天大学宁波创新研究院 柔性双层频率选择表面及其制备方法
CN115275630A (zh) * 2022-08-26 2022-11-01 中国计量大学 一种新型双层角度稳定双阻带小型化频率选择表面结构

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