JP2008536366A - 周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）及びその設計方法に関する。本発明の周波数選択反射器は、誘電体層と、複数の単位セルとを備える。前記複数の単位セルは、前記誘電体層の上部に周期的に配列され、三角ポールと三角枝状のループとが互いに重ならないように結合する。また、本発明は、周波数選択反射器の単位セルを構成する際、方形ループを蛇行状に少なくとも１回曲げることにより、蛇行状に曲がった方形ループの長さを調整する、単位セルを構成するステップと、前記周波数選択反射器を幾何学的に同じ単位構造又は単位セルの配列で構成し、共振周波数をチューニングする、単位セルを配列するステップとを含む。

Description

本発明は、周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）及びその設計方法に関し、より詳細には、所定の単一又は多重周波数帯域を遮断又は透過する周波数選択反射器のための空間周波数選択反射器及びその設計方法に関する。

周波数選択反射器とは、誘電体スラブ上に導体又はスロットが周期的に配列された構造を意味する。周波数選択反射器は、一種の空間フィルタであり、ある特定の周波数のみを透過又は反射させる特性を有する。

周波数選択反射器の応用分野は、アンテナのレードーム（ｒａｄｏｍｅ）や、二重帯域反射板（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）や、反射配列レンズ（ｒｅｆｌｅｃｔ ａｒｒａｙ ｌｅｎｓ）などの比較的古典的な分野から、ＥＭＩ保護（ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）、ＲＣＳ（Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）の増大、電波探知回避（ｓｔｅａｌｔｈ）、ＡＭＣ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などといった現代的な分野にいたるまで、幅広い範囲にわたっている。

このような周波数選択反射器において、単一周期に該当する構造を単位セル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）という。周波数選択反射器は、単位セルの幾何学的な形状、配列形態、及び配列周期や、使用された誘電体及び導体の材質特性などに応じた周波数応答特性の変化が激しい。一般的に、長方形や同心円などのように、形状は同一でありながら、大きさは互いに異なる構造が、単位セルとして幅広く利用されている。

このような従来の周波数選択反射器の一例として、「Ｂａｎｄｐａｓｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ（ＵＳ５，３８４，５７５号、１９９５年１月２４日）（以下、「第１先行技術」とする）」がある。前記第１先行技術は、ユーザの望む周波数帯域のみを透過させるために周波数選択反射器を用いたものであり、誘電体スロットの幅や全長などを変化させることにより、周波数選択反射器の共振周波数を調整することができる。

しかしながら、周波数選択反射器に用いられた単位セルを構成する導体の形状が長方形ループであり、このようなループの長さを変更する際に、単位セルの面積自体が変化してしまうという問題が存在する。

また、単位セルの面積を減らし、かつ所望の周波数帯域で共振する周波数選択反射器を設計する方法の一例として、フラクタル（ｆｒａｃｔａｌ）構造のうち、ヒルベルト曲線として知られている構造を用いて単位セルを構成している「Ｃｏｎｖｏｌｕｔｅｄ ａｒｒａｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｉｚｅ ｕｎｉｔ ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ（ＩＥＥＥ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＳ−Ｈ，ｖｏｌ．１３８，ｎｏ．１，Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９１，ｐｐ１９−２２，Ｅ．Ａ．Ｐａｒｋｅｒ ａｎｄ Ａ．Ｎ．Ａ．ＥＩ Ｓｈｅｉｋｈ）（以下、「第２先行技術」とする）」がある。しかしながら、前記第２先行技術では、周波数選択反射器に用いられた単位セルを構成する導体の形状として「渦巻き状の方形（ｃｏｎｖｏｌｕｔｅｄ ｓｑｕａｒｅ）」を使用しており、入射（垂直又は水平）偏波に応じて共振周波数が変化してしまうという問題が存在する。

すなわち、前述した従来の周波数選択反射器は、電磁波の偏波に応じて周波数選択特性が一定でなく、かつ多重帯域の周波数で電磁波を正確に遮断できないという問題がある。また、従来の周波数選択反射器は、単に導体又は開口面の長さなどを調整して遮断周波数をチューニングするため、設計の変更に伴う費用の増加をもたらすという問題がある。

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、単位セルとして三角ポールと三角枝状のループとが互いに重ならないように結合した構造を用いることにより、電磁波の偏波に影響されることなく、多重遮断周波数帯域を簡便に調整することができる周波数選択反射器を提供することにある。

また、本発明の目的は、周波数選択反射器の単位セルとして用いられた蛇行状に曲がった方形ループ（ｍｅａｎｄｒｏｕｓ ｓｑｕａｒｅ ｌｏｏｐ）の全長及びループの間隔などの幾何学的構造特性や、周波数選択反射器に採用された誘電体及び導体の電気的特性などの変化により、所定の周波数帯域を遮断又は透過させることができる周波数選択反射器の設計方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の一態様は、多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）であって、誘電体層と、該誘電体層の上部に周期的に配列され、三角ポールと三角枝状のループとが互いに重ならないように結合した単位セルとを備えることを特徴とする。

また、前記周波数選択反射器は、三角ポールの端部分と三角枝状のループの内側端部分とが互いに噛み合うことを特徴とする。

更に、前記周波数選択反射器は、隣り合う単位セルが幾何学的に噛み合うことを特徴とする。

なお、前記周波数選択反射器は、共振周波数を変化させるため、誘電体が全体的にコーティングされていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）であって、導体又は誘電体層で形成される蛇行状に曲がった方形ループと、導体又は誘電体からなる複数の単位セルとを備えることを特徴とする。

本発明の更なる態様は、単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）の設計方法であって、周波数選択反射器の単位セルを構成する際、方形ループを蛇行状に少なくとも１回曲げることにより、蛇行状に曲がった方形ループの長さを調整する、単位セルを構成するステップと、前記周波数選択反射器を幾何学的に同じ単位構造又は単位セルの配列で構成し、共振周波数をチューニングする、単位セルを配列するステップとを含むことを特徴とする。

更に、本発明の周波数選択反射器の構造は、単位セル内の蛇行状に曲がった方形ループの長さ及び間隔、単位セルの間隔、並びに、誘電体の厚さ及び誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）などを変化させることにより、フィルタリング対象の周波数帯域（例えば、移動電話帯域１．８１ＧＨｚ、２．４ＧＨｚ、ＩＳＭ帯域など）の調整が可能である。すなわち、周波数選択反射器を構成する蛇行状に曲がった方形ループ、並びに、誘電体などの幾何学的な長さ、大きさ、位置、厚さ、材質などを調整することにより、所望の周波数帯域に対して遮断又は透過することを特徴とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記の説明により理解することができ、本発明の実施形態により更に明確になるはずである。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示す手段及びその組み合わせにより実現可能であることを容易にわかるであろう。

本発明は、三角ポールと三角枝状のループとの静電容量を調整することにより、多重遮断周波数の微細チューニングを可能にする効果がある。

また、本発明は、ユーザの望む所定の周波数帯域に対する選択的遮断又は透過を許容することが可能である。しかも、単位セルの面積自体の変化がなくても、単位セルを構成する蛇行状に曲がった方形ループの長さ及び誘電体の厚さ、単位セルの間隔などを調整することにより、フィルタリング対象の周波数を調整することができる効果がある。

更に、本発明は、単位セルの面積も自在に調整可能であり、入射電磁波の偏波の変化にも影響されない優れた特性を有する効果がある。また、本発明は、室内の静寂又はその他の目的での移動電話の使用禁止のための周波数帯域の遮蔽、そして、無線ＬＡＮの周波数帯域の外部漏れを防止し、企業情報の保護のための周波数帯域の遮蔽などといった様々な目的に利用可能という効果がある。

上述した目的、特徴、及び長所は、添付された図面に関する以下の詳細な説明により更に明確になるはずであり、それにより、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術思想を容易に実施することができる。また、本発明の説明において、本発明に係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。このとき、同じ参照符号は、同じ構成要素を表す。

図１は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）を示す図である。

同図に示すように、本発明に係る周波数選択反射器には、薄い誘電体層１１の上部に、導体で構成された単位セル１２が周期的に配列される。そして、薄い誘電体層１１の下部及び単位セル１２の上部は、誘電体コーティング層１３からなる。このとき、単位セル１２は、三角ポール（ｔｒｉ−ｐｏｌｅ）と三角枝状のループ（ｔｅｒｎａｒｙ ｔｒｅｅ ｓｈａｐｅ ｌｏｏｐ）とが互いに重ならないように結合した構造であって、以下の実施形態で詳細に説明する。

一方、本発明に係る周波数選択反射器を設計し、周波数特性に関する実験のためのパラメータを定義する。同図において、ｈ_１は誘電体層１１の厚さを意味し、ε_１は誘電体層１１の比誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）を意味し、ｈ_２は誘電体コーティング層１３の厚さを意味し、ε_２は誘電体コーティング層１３の比誘電率を意味し、ｔは単位セル１２の導体部分の厚さを意味する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の単位セルの配列構造を示す図であり、図３は、図２の単位セルの構成を詳細に示す図である。

図２に示すように、本発明に係る周波数選択反射器には、三角ポール２１と三角枝状のループ２２とが互いに重ならないように結合した単位セル１２が誘電体層１１の上部に周期的に配列される。このような本発明に係る周波数選択反射器は、三角ポール２１と三角枝状のループ２２とが結合することにより、電磁波の偏波に影響されない。

一方、周波数選択反射器は、三角ポール２１のみを単位セルとして用いるか、三角枝状のループ２２のみを単位セルとして用いることができる。しかし、図３のように、三角枝状のループ２２の内部に三角ポール２１が重ならないように配置された単位セル１２を採用した場合、三角ポール２１及び三角枝状のループ２２の長さ、三角ポール２１と三角枝状のループ２２との間隔などの変化によって共振周波数特性が変化し、遮断周波数帯域を決定することができる。

図４は、図２の隣り合う単位セルを詳細に示す図である。同図の参照符号４００は２つの単位セルの接合部分を拡大したものであって、１つの単位セルの端部分４０１が他の単位セルの曲がった部分４０２と正確に噛み合う。また、１つの単位セルにおいて、三角ポールの最端部分４０３と三角枝状のループの内側最端部分４０４とが正確に噛み合う。

一方、本発明に係る周波数選択反射器を設計し、周波数特性実験のためのパラメータを定義する。同図において、ｄｙは２つの単位セルの中心距離における縦方向の距離、ｄｘは２つの単位セルの中心距離における横方向の距離を意味する。ｇは単位セルの間隔、ａは三角ポールの幅、ｗは三角枝状のループをなす導体の幅、ｂは三角枝状のループの幅、ａｎｇｌｅは２つの単位セルを結ぶ中心線が水平方向に対して傾いた角度、ｌ_１は単位セルの中心から三角枝状のループの最端部分までの距離、ｌ_２は単位セルの中心から三角ポールの最端部分までの距離、ｃ_１は三角ポールと三角枝状のループとの間の距離を意味する。

このとき、単位セルの内部における構造の間隔ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３及び単位セルの間隔ｇは、最小値「０」から始まるようにする。このような間隔の最小値は、周波数選択反射器の設計工程のステップにおいて共振周波数の微細チューニングの可能範囲を広くする。

図５は、単位セルの構造に応じた周波数選択反射器の共振周波数特性を示すグラフであって、周波数選択反射器の単位セルが三角ポールの場合５１０、三角枝状のループの場合５２０、そして、本発明に係る三角ポールと三角枝状のループとを併せて用いた場合５３０の各々に対する共振周波数特性を示すグラフである。

本発明に係る周波数選択反射器の設計条件は、［表１］のとおりである。

周波数選択反射器の単位セルが三角ポールの場合５１０、１つの共振周波数５１１が現れ、単位セルが三角枝状のループの場合５２０、２つの共振周波数５２１、５２２が現れる。反面、本発明に係る単位セルとして三角ポールと三角枝状のループとを併せて用いた場合５３０には、３つの共振周波数５３１、５３２、５３３が現れる。

同図に示すように、単位セルとして三角ポール又は三角枝状のループのみを用いた場合に比べ、本発明に係る単位セルを用いた場合、共振周波数が軒並み低下する。すなわち、三角ポールと三角枝状のループとの静電容量が増加し、全体的な共振周波数は低下する。このような特性は、単位セルの大きさをより小さくし、全体的な周波数選択反射器の大きさを減らすことができる長所を提供する。

上述のように、本発明に係る周波数選択反射器は、３つの共振周波数を発生させる。以下、第１実施形態において、前記３つの共振周波数のうち、三角枝状のループによって発生する１次共振周波数及び２次共振周波数を参照符号６１及び６２で表し、三角ポールによって発生する１次共振周波数を６３で表す。

図６は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の誘電体コーティング層の厚さに応じた共振周波数の変化を示すグラフである。

同図に示すように、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器は、誘電体コーティング層の厚さｈ_２が増加するにつれ、共振周波数が急激に低下した後、緩やかに低下する。

図７は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の単位セルの間隔に応じた共振周波数の変化を示すグラフである。

同図に示すように、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器は、単位セルの間隔ｇが拡大するにつれ、共振周波数の間隔が減少する。

図８は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の三角ポールの幅に応じた共振周波数の変化を示すグラフである。

同図に示すように、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器は、三角ポールの幅ａが増加するにつれ、三角枝状のループによる１次共振周波数６１及び２次共振周波数６２の大きさが小さくなる。

図６〜図８のような結果に基づき、単位セル内の三角ポールと三角枝状のループとの静電容量を類推することにより、本発明に係る周波数選択反射器の遮断周波数を正確に予測することができる。

図９は、移動通信サービスの周波数帯域に応じて製作された本発明に係る周波数選択反射器の解析結果を示すグラフである。

同図の解析結果に対する設計パラメータは、［表２］のとおりである。このとき、タイプＩは、誘電体コーティング層１３がない場合であり、タイプIIは、誘電体コーティング層１３の厚さｈ_２が１．６ｍｍの場合である。

一方、遮断対象の移動通信サービスの周波数帯域は、［表３］のとおりである。

［表３］を参照すると、移動電話（セルラー）サービスの中心周波数は８５９ＭＨｚ、個人携帯通信（ＰＣＳ）サービスの中心周波数は１，８１０ＭＨｚ、無線ＬＡＮサービスの中心周波数は２，４４２ＭＨｚである。

図９に示すように、［表２］のパラメータを有する本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器はｆ_１（８５９ＭＨｚ）、ｆ_２（１，８１０ＭＨｚ）、ｆ_３（２，４４２ＭＨｚ）の共振周波数を有し、このような共振周波数は、前記のような遮断する帯域の中心周波数と一致する。

図１０は、誘電体コーティング層のない本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の周波数特性の予測値及び実験値を示すグラフである。すなわち、上記［表２］のタイプＩとして設計された本発明に係る周波数選択反射器の周波数特性の予測値及び実験値を比較した結果である。

同図の参照符号１１０は、誘電体コーティング層のない本発明に係る周波数選択反射器の周波数特性の予測値である。また、参照符号１２０（Ｈ，Ｈ）は、送受信アンテナの偏波が軒並み水平偏波（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）となっている場合における、本発明に係る周波数選択反射器の周波数特性の実験値であり、参照符号１３０（Ｖ，Ｖ）は、送受信アンテナの偏波が軒並み垂直偏波（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）となっている場合における、本発明に係る周波数選択反射器の周波数特性の実験値である。

同図に示すように、上記［表２］のタイプＩとして設計された本発明に係る周波数選択反射器の周波数特性の予測値は、実際に測定した実験値と比較的正確に一致する。したがって、図６〜図８のような解析結果を基に定められた遮断周波数に正確に共振する周波数選択反射器を設計することができる。

また、同図に示すように、本発明に係る周波数選択反射器は、電磁波の偏波に影響されない。

以下、本発明の第２実施形態に係る周波数選択反射器の設計方法を説明する。

図１１は、本発明の第２実施形態に係る単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルの配列を示す図である。

幾何学的に単位セルを構成する図形の長さが単位面積に対して最大限長くなるように設計（それは、長さが長くなるほど、共振周波数が低下するためである）するためには、ループの形状が複雑に曲がって互いに重なるようなことがあってはならない。

したがって、本発明の周波数選択反射器は、図１１のように、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０からなる単位セル１１００の配列で構成される（幾何学的に同じ単位構造の配列である）。すなわち、単位セル１１００内のループを長くするために（すなわち、共振周波数を下げるために）、方形ループを蛇行状に複数回曲げることにより、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０によって単位セル１１００を構成する。

そして、各単位セル１１００は、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０と、当該ループ１１１０を除いた部分１１２０とで構成される。

仮に、単位セル１１００において、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０が導体、残りの部分１１２０が誘電体の場合、本発明の周波数選択反射器は、帯域阻止フィルタ（ｂａｎｄｓｔｏｐ ｆｉｌｔｅｒ）として動作し、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０が誘電体、残りの部分１１２０が導体の場合、本発明の周波数選択反射器は、帯域通過フィルタ（ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）として動作する。

このとき、遮断対象の周波数帯域は、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０の全長を変化（ループを曲げる回数に応じて全長を変化）させ、ループの間隔、単位セル１１００の間隔、誘電体及び導体の電気的特性（材質、誘電率など）などを変化させることによって調整可能（共振周波数のチューニング）である。各単位セル１１００内の蛇行状に曲がった方形ループ１１１０は、正確に左右対称の構造であって、入射電磁波の偏波に影響されない。すなわち、周波数選択反射器の単位セル１１００を構成する蛇行状に曲がった方形ループ１１１０の長さ及び間隔、単位セル１１００の間隔、そして、誘電体の厚さ及び誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）などを変化させることにより、フィルタリング対象の周波数帯域の調整が可能である。

ここで、単位セル１１００を構成する蛇行状に曲がった方形ループ１１１０が横方向及び縦方向に全て対称となるようにすることにより、共振周波数が入射偏波の変化に影響されないようにする。このとき、蛇行状に曲がった方形ループ１１１０の幅及びループ１１１０を曲げる回数を変化させることにより、単位セル１１００の面積を調整することもできる。

同図の各単位セル１１００は、図１２及び図１３に示すように構成可能である。図１２及び図１３の周波数選択反射器の単位セル１２００、１３００を帯域阻止フィルタとして設計する場合、図１４は、周波数選択反射器の単位セル１２００、１３００（１４００）の断面を示す。

図１４の周波数選択反射器の単位セル１４００は、共振周波数が中心の帯域阻止フィルタであって、蛇行状に曲がった方形ループ１４１０が導体、残りの部分１４２０、１４３０が誘電体の場合である。

同図に示すように、周波数選択反射器の単位セル１４００が帯域阻止フィルタとして動作する場合、それは誘電体基板（ε_１）１４２０上の導体１４１０をエッチングして構成される。このとき、誘電体基板１４２０及び導体１４１０を、誘電体でコーティングすることもできる（誘電体層（ε_２）１４３０）。

仮に、周波数選択反射器の単位セル１４００が帯域通過フィルタとして動作する場合には、誘電体基板（ε_１）１４２０と導体１４１０とが互いに入れ替わる。ただし、この場合も、誘電体コーティング層（ε_２）１４３０には変化がない。

何よりも、周波数選択反射器の単位セル１４００の共振周波数を下げるためには、蛇行状に曲がった方形ループ１４１０を長くしなければならず（すなわち、ループを曲げる回数を多くしなければならない。もちろん、左右対称構造などの制約はあり得る。）、また、誘電体層（ε_２）１４３０のε_２を高くしなければならない。

以下、図１２及び図１３を参照して、周波数選択反射器の単位セル１２００、１３００についてより詳細に説明する。

図１２において、参照符号「１２００」は単位セル、「１２１０」は蛇行状に曲がった方形ループ、そして、「１２２０」は単位セル１２００においてループ１２１０を除いた部分を意味する。

同図の単位セル１２００において、蛇行状に曲がった方形ループ１２１０が導体、残りの部分１２２０（厳密には、図１４の誘電体基板（ε_１）１４２０）が誘電体の場合、同図の周波数選択反射器の単位セル１２００は、共振周波数が中心の帯域阻止フィルタとして動作する。逆に、同図の単位セル１２００において、蛇行状に曲がった方形ループ１２１０が誘電体、残りの部分１２２０（厳密には、図１４の誘電体基板（ε_１）１４２０に該当する部分）が導体の場合、同図の周波数選択反射器の単位セル１２００は、共振周波数を中心に帯域通過フィルタとして動作する。ただし、周波数帯域の阻止又は通過のための周波数選択フィルタとして動作するいかなる場合でも、蛇行状に曲がった方形ループ１２１０以外の部分１２２０のうち、図１４の誘電体コーティング層（ε_２）１４３０には変化がない。

上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００を帯域阻止フィルタとして設計した場合、周波数選択反射器の共振周波数特性は、図１５に示すとおりである。

図１２に示すように、蛇行状に曲がった方形ループ１２１０を有する周波数選択反射器の単位セル１２００は、単に方形ループを有する第１先行技術の単位セルの面積と同じ大きさの場合、ループ１２１０の長さが長くなるため、上記第１先行技術よりも共振周波数を下げることができる。したがって、仮に、同図の周波数選択反射器の単位セル１２００が上記第１先行技術の単位セルと同じ共振周波数を有すると、単位セルの大きさはより縮小する。

図１５では、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００を帯域阻止フィルタとして設計し、シミュレーション結果と実際に実験した結果とを互いに比較して示している。このとき、周波数選択反射器の単位セル１２００を帯域阻止フィルタとして設計する際に用いられた詳細パラメータは、［表４］のとおりである。図１５において、周波数選択反射器の帯域遮断中心周波数は、韓国国内ＰＣＳ帯域の中心周波数１．８１ＧＨｚに合わせられている。

一方、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００の蛇行状に曲がった方形ループ１２１０の幅及びループ１２１０を曲げる回数を変化させることにより、図１３に示すように、周波数選択反射器の単位セル１２００の面積を調整することができる。すなわち、蛇行状に曲がった方形ループ１２１０の幅及びループ１２１０を曲げる回数をより多くすることにより、周波数選択反射器の単位セル１２００の大きさを減らすことができる。したがって、仮に、図１３の周波数選択反射器の単位セル１３００が上記図１２の単位セル１２００と同じ大きさを有すると、共振周波数をより下げることができる。

図１３において、参照符号「１３００」は単位セル、「１３１０」は蛇行状に曲がった方形ループ、そして、「１３２０」は単位セル１３００においてループ１３１０を除いた部分を意味する。

同図の周波数選択反射器の単位セル１３００は、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００と同じ共振周波数を維持しつつ、単位セルの大きさをより小さく構成したものである。すなわち、同図の周波数選択反射器の単位セル１３００は、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００と同じ形状を維持しつつ、蛇行状に曲がった方形ループ１３１０の幅がより縮小し、更にもう一回曲がった形状３３０を有する。こうすることにより、同図の周波数選択反射器の単位セル１３００の大きさを、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００より小さく構成することができる。仮に、同図の周波数選択反射器の単位セル１３００の大きさと、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００の大きさとが同じであれば、同図の周波数選択反射器の単位セル１３００は、上記図１２の周波数選択反射器の単位セル１２００よりも共振周波数を下げることができる。

図１３の単位セル１３００も、蛇行状に曲がった方形ループ１３１０が導体、残りの部分１３２０（厳密には、図１４の誘電体基板（ε_１）１４２０）が誘電体の場合、図１３の周波数選択反射器の単位セル１３００は、共振周波数が中心の帯域阻止フィルタとして動作する。逆に、図１３の単位セル１３００において、蛇行状に曲がった方形ループ１３１０が誘電体、残りの部分１３２０（厳密には、図１４の誘電体基板（ε_１）１４２０に該当する部分）が導体の場合、図１３の周波数選択反射器の単位セル１３００は、共振周波数を中心に帯域通過フィルタとして動作する。ただし、周波数帯域阻止又は通過のための周波数選択フィルタとして動作するいかなる場合でも、蛇行状に曲がった方形ループ１３１０以外の部分１３２０のうち、図１４の誘電体コーティング層（ε_２）１４３０には変化がない。

上記図１３の周波数選択反射器の単位セル１３００を帯域阻止フィルタとして設計した場合、周波数選択反射器の共振周波数特性は、図１６に示すとおりである。

同図では、上記図１３の周波数選択反射器の単位セル１３００を帯域阻止フィルタとして設計し、シミュレーション結果と実際に実験した結果とを互いに比較して示している。このとき、周波数選択反射器の単位セル１３００を帯域阻止フィルタとして設計する際に用いられた詳細パラメータは、［表５］のとおりである。図１６も、周波数選択反射器の帯域遮断中心周波数は、韓国国内ＰＣＳ帯域の中心周波数１．８１ＧＨｚに合わせられている。

上記図１５及び図１６から明らかなように、本発明の周波数選択反射器の周波数特性が実際に測定したデータとも比較的よく一致しており、実際の設計においても有効であることを確認することができる。

以上、本発明は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形、及び変更が可能であるため、上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）の断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の単位セルの配列構造を示す図である。 図３は、図２の単位セルの構成を詳細に示す図である。 図４は、図２の隣り合う単位セルを詳細に示す図である。 図５は、単位セルの構造に応じた周波数選択反射器の共振周波数特性を示すグラフである。 図６は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の誘電体コーティング層の厚さに応じた共振周波数の変化を示すグラフである。 図７は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の単位セルの間隔に応じた共振周波数の変化を示すグラフである。 図８は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の三角ポールの幅に応じた共振周波数の変化を示すグラフである。 図９は、移動通信サービスの周波数帯域に応じて製作された本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の解析結果を示すグラフである。 図１０は、誘電体コーティング層のない本発明の第１実施形態に係る周波数選択反射器の周波数特性の予測値及び実験値を示すグラフである。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルの配列を示す図である。 図１２は、本発明の第２実施形態に係る単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルの詳細構造を示す図である。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルの詳細構造を示す図である。 図１４は、本発明の第２実施形態に係る帯域阻止機能を有する単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルの断面を示す図である。 図１５は、本発明の第２実施形態に係る、図１２の単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルで構成された空間フィルタの共振周波数特性を示す図である。 図１６は、本発明の第２実施形態に係る、図１３の単一周波数フィルタリングのための周波数選択反射器の単位セルで構成された空間フィルタの共振周波数特性を示す図である。

Claims (26)

1. 多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器であって、
   誘電体層と、
   該誘電体層の上部に周期的に配列され、三角ポールと三角枝状のループとが互いに重ならないように結合した単位セルと、
   を備えることを特徴とする多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
2. 前記三角ポールの端部分と前記三角枝状のループの内側端部分とが互いに噛み合うことを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
3. 隣り合う単位セルが幾何学的に噛み合うことを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
4. 前記三角ポールの外面と前記三角枝状のループの内面とが互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
5. 前記三角ポール及び前記三角枝状のループの長さが調整されることにより、共振周波数がチューニングされることを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
6. 前記三角ポールの幅が調整されることにより、共振周波数がチューニングされることを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
7. 前記三角ポールと前記三角枝状のループとの間隔が調整されることにより、共振周波数がチューニングされることを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
8. 共振周波数を変化させるため、誘電体が全体的にコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の多重周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
9. 単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器であって、
   導体又は誘電体層で形成される蛇行状に曲がった方形ループと、
   導体又は誘電体層からなる複数の単位セルと、
   を備えることを特徴とする単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
10. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループが導体であり、当該ループを除いた部分が誘電体である場合、
    前記周波数選択反射器が、帯域阻止フィルタとして動作することを特徴とする請求項９に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
11. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループが誘電体であり、当該ループを除いた部分が導体である場合、
    前記周波数選択反射器が、共振周波数を含む帯域通過フィルタとして動作することを特徴とする請求項９に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
12. 前記単位セルの前記方形ループを複数回曲げて前記単位セル内のループを長くすることにより、前記単位セルの大きさが変化することなく、同じ単位セルの大きさを維持しつつ、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項９に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
13. 前記単位セルの前記方形ループの幅を縮小し、複数回曲げて前記単位セル内のループを長くすることにより、同じ共振周波数を維持しつつ、前記単位セルの大きさを減らすことができることを特徴とする請求項１２に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
14. 前記単位セルの前記蛇行状に曲がった方形ループが、
    上下左右の対称構造であって、共振周波数が入射電磁波の偏波に影響されないことを特徴とする請求項１２に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
15. 前記周波数選択反射器が、
    前記誘電体コーティング層の誘電率が高いほど、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項１４に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
16. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループを除いた部分が、
    誘電体コーティング層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
17. 前記周波数選択反射器が、
    前記誘電体コーティング層の誘電率が高いほど、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項１６に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器。
18. 単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法であって、
    周波数選択反射器の単位セルを構成する際、方形ループを蛇行状に少なくとも１回曲げることにより、蛇行状に曲がった方形ループの長さを調整する、単位セルを構成するステップと、
    前記周波数選択反射器を幾何学的に同じ単位構造又は単位セルの配列で構成し、共振周波数をチューニングする、単位セルを配列するステップと、
    を含むことを特徴とする単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
19. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループが導体であり、前記ループを除いた部分が誘電体である場合、
    前記周波数選択反射器が、帯域阻止フィルタとして動作することを特徴とする請求項１８に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
20. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループが誘電体であり、当該ループを除いた部分が導体である場合、
    前記周波数選択反射器が、帯域通過フィルタとして動作することを特徴とする請求項１８に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
21. 前記単位セルの前記方形ループを複数回曲げて前記単位セル内のループを長くすることにより、前記単位セルの大きさが変化することなく、同じ単位セルの大きさを維持しつつ、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項１８に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
22. 前記単位セルの前記方形ループの幅を縮小し、複数回曲げて前記単位セル内のループを長くすることにより、同じ共振周波数を維持しつつ、前記単位セルの大きさを減らすことができることを特徴とする請求項２１に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
23. 前記単位セルの前記蛇行状に曲がった方形ループが、
    上下左右の対称構造であって、共振周波数が入射電磁波の偏波に影響されないことを特徴とする請求項１８に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
24. 前記周波数選択反射器が、
    前記蛇行状に曲がった方形ループの長さが長いほど、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項２３に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
25. 前記単位セルにおいて、前記蛇行状に曲がった方形ループを除いた部分が、
    誘電体コーティング層を含むことを特徴とする請求項１９に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。
26. 前記周波数選択反射器が、
    前記誘電体コーティング層の誘電率が高いほど、共振周波数を下げることができることを特徴とする請求項２５に記載の単一周波数帯域フィルタリングのための周波数選択反射器の設計方法。

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