KR100567189B1 - 직물형 섬유강화 복합재료로 형성된 주파수 선택층을포함하는 주파수 선택 필터 - Google Patents

직물형 섬유강화 복합재료로 형성된 주파수 선택층을포함하는 주파수 선택 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 대역에 따라 선택적으로 전자파가 반사되거나 투과 흡수되는 주파수 선택 필터(40)에 관한 것으로서, 전기 전도도가 높아서 전자파가 반사되는 탄소계 섬유(43)와, 전자기적 손실율이 낮아서 전자파가 투과되는 비탄소계 섬유(44)가 일정한 형상패턴을 갖도록 상호 직조되는 주파수 선택층; 및 주파수 선택층이 상부, 하부 또는 그 내부 사이에 적층 결합되며, 비탄소계 섬유(44)를 투과한 전자파가 흡수되는 유전체(442)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 주파수 선택층의 단위 셀의 형상패턴 및 유전체에 적층되는 주파수 선택층의 설치위치에 따라 투과 또는 반사되는 전자파의 주파수 대역이 달라짐으로써, 전자파의 광대역화가 가능해지는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 비강도와 비강성이 우수한 주파수 선택층이 유전체에 일체로 성형됨으로써, 종래의 FSS 시트에 비해 구조적인 하중 분담이 가능해져서 구조적으로 안정되면서도, 내부식성도 향상되는 장점이 있다.

Description

직물형 섬유강화 복합재료로 형성된 주파수 선택층을 포함하는 주파수 선택 필터{Electromagnetic Filter with Frequency Selective Surfaces of Fiber-Reinforced Fabric Composites}
도 1은 종래기술에 따른 주파수 선택 필터가 설치된 카세그레인 안테나의 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 안테나에서 주파수 선택 필터의 단위 셀을 나타낸 평면도이고,
도 3은 도 2에 도시된 주파수 선택 필터에서 선 A-A를 따라 나타낸 단위 셀의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 직물형 섬유강화 복합재료로 형성된 주파수 선택층을 포함하는 주파수 선택 필터의 단위 셀을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4에 도시된 주파수 선택 필터의 단위 셀에서 선 B-B를 따라 나타낸 단면도이고,
도 6은 도 4에 도시된 주파수 선택 필터의 단위 셀이 다수 개 배열된 상태를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 셀의 형상패턴이 각각 다른 주파수 선택층이 유전체의 상하부 및 그 내부에 적층된 상태를 나타낸 주파수 선택 필 터의 단면도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
10 : 주 반사기 20, 21 : 피드혼
30, 40 : 주파수 선택 필터 32, 42 : 유전체
33 : FSS 시트(Frequency Selective Surface sheet)
본 발명은 주파수 대역에 따라 선택적으로 전자파가 반사되거나 투과 흡수되는 주파수 선택 필터에 관한 것이며, 특히, 종래의 FSS 시트와 달리 유전율과 전기 전도도가 상이한 섬유들로 직조된 주파수 선택층이 유전체에 적층 제작됨으로써 구조적으로 안정성이 향상되는 주파수 선택 필터에 관한 것이다.
통신 분야에서 사용되는 안테나는 일종의 전자파 수집기로서, 이런 전자파를 수집하기 위해 통상적으로 주 반사기가 설치된다. 그 일례로 아래에서는 카세그레인 안테나의 구조에 대해서 살펴보겠다.
도 1은 종래기술에 따른 주파수 선택 필터가 설치된 카세그레인 안테나의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 안테나에서 주파수 선택 필터의 단위 셀을 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 주파수 선택 필터에서 선 A-A를 따라 나타낸 단위 셀의 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 카세그레인 안테나의 주 반사기(10)는 하나의 초점만을 가지고 있어서, 다양한 대역의 주파수가 수신될 수가 없다. 그래서, 종래기술에 따른 카세그레인 안테나에는 다중 주파수 대역의 공유가 가능하도록, 대한민국 특허등록 제233837호에 기술된 바와 같은 FSS 시트(33)가 부착된 주파수 선택 필터(30)가 설치되기도 한다.
즉, 제1 피드혼(20)에서 송신된 주파수 f1 및 f2는 주파수 선택 필터(30)에서 반사되어 주 반사기(10)에 방사되거나 반대로 수신된다. 또한, 제2 피드혼(21)에서 송신된 주파수 f3 및 f4는 주파수 선택 필터(30)를 완전히 투과하여 주 반사기(10)에 방사되거나 수신된다. 이로 인해, 종래기술에 따른 안테나는 주파수 선택 필터(30)가 사용됨으로써, 하나의 주 반사기(10)로 다중 주파수 대역의 공유가 가능하게 된다(도 1참조).
이런 주파수 선택 필터(30)는 전기적 손실이 없는 지지물인 유전체 슬랩(31)과, 상기 유전체 슬랩(31)의 상부에 부착되는 FSS 시트 유전체(32), 및 상기 FSS 시트 유전체(32)의 상부에 결합되며 도체 사이의 공간인 슬롯(34)이 형성된 FSS 시트(33)로 구성된다. 이 때, 주파수 선택 필터(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 다수 개의 단위 셀이 배열됨으로써, 하나의 구성요소로 형성된다.
그러면, 주파수 선택 필터(30)는 슬롯(34)을 통해 해당 영역의 주파수가 투과됨으로, 단위 셀의 형상 또는 슬롯(34)의 크기가 달라짐으로써, 필요로 하는 주파수 대역의 전자파가 선택적으로 취득된다. 또한, 주파수 선택 필터(30)는 그 목적과 특성에 따라 단위 셀의 FSS 시트(33) 형상이 사각형, 삼각형, 원형 등으로 다 양하게 제작될 수 있다.
이와 같은 대역통과필터기능을 하는 주파수 선택 필터(30)는 은, 백금, 동, 알루미늄, 니켈, 크롬, 철, 코발트, 티탄 등이나 그 외의 합금들이 FSS 시트(33)로 제작되고, FSS 시트 유전체(32)의 상부에 상기 FSS 시트(33)가 진공증착법, 스퍼터링(spattering)법, 이온 도금(ion plating)법, 화학 도금법, 전기 도금법 등에 의해 금속박층 형태로 적층된다.
하지만, 상기와 같은 종래기술의 주파수 선택 필터(30)는 FSS 시트(33)가 금속도금 또는 금속증착에 의해 배열 부착되기 때문에, FSS 시트 유전체(32)를 통해 전달되는 구조적인 하중에 의해 FSS 시트(33)가 구조적으로 하중을 분담하지 못하고, 쉽게 변형될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 종래기술의 주파수 선택 필터(30)는 FSS 시트(33)를 금속도금 또는 금속증착시켜야 하는 추가적인 공정이 필요로 하며, 섬유강화 복합재료 소재에 비해 상대적으로 내부식성이 약한 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 유전율과 전기 전도도가 상이한 이종의 강화섬유들이 주파수 선택층으로 배열 직조되고, 상기 주파수 선택층이 유전체의 상하부 또는 그 내부에 적층 결합되어, 다양한 주파수 대역의 전자파들이 상기 주파수 선택층에서 선택적으로 반사되거나 투과됨으로써, 필요로 하는 주파수 대역의 전자파가 선택적으로 취득되면서도, 구조적인 하중분담이 가능해져서 구조적으로 안정되는 주파수 선택 필 터를 제공하는데 그 목적이 있다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 선택 필터는 주파수 대역에 따라 선택적으로 전자파가 반사되거나 투과 흡수되도록 구성된다. 이를 위해 본 발명의 주파수 선택 필터는 전기 전도도가 높아서 전자파가 반사되는 탄소계 섬유와, 전자기적 손실율이 낮아서 전자파가 투과되는 비탄소계 섬유가 일정한 형상패턴을 갖도록 상호 직조되는 주파수 선택층; 및 상기 주파수 선택층이 그 일면 또는 내부 사이에 적층 결합되는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아래에서는 본 발명에 따른 주파수 선택 필터의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 직물형 섬유강화 복합재료로 형성된 주파수 선택층을 포함하는 주파수 선택 필터의 단위 셀을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 주파수 선택 필터의 단위 셀에서 선 B-B를 따라 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 전기 전도도가 높은 탄소계 섬유(43)와, 상기 탄소계 섬유(43)에 비해 전기 전도도가 훨씬 낮은 비탄소계 섬유(44)가 일정한 형상패턴을 갖는 주파수 선택층으로 직조 제작된다. 그리고, 본 발명은 주파수 선택층이 유전체(42)의 일면(상부 또는 하부) 또는 그 내부 사이에 적층된 후에, 복합재료 경화공정에 의해 주파수 선택층과 유전체(42)가 일체로 성형된다. 그러면, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 탄소계 섬유(43)의 영역에서 전자파가 반사되고, 비탄소계 섬유(44)의 영역으로는 전자파 가 투과되어, 필요로 하는 주파수 대역의 전자파만이 유전체(42)에 선택적으로 취득된다. 이로 인해, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 탄소계 섬유(43)와 비탄소계 섬유(44)로 직조되는 주파수 선택층의 형상패턴에 따라 주파수의 광대역화가 가능해진다. 또한, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 비강도와 비강성이 우수한 복합재료로 형성된 주파수 선택층과 유전체(42)가 일체로 성형됨으로써, 종래의 FSS 시트가 사용된 경우에 비해 구조적으로 안정된다.
본 발명에 따른 주파수 선택 필터(40)의 주파수 선택층은 전기 전도도가 높아서 전자파가 주로 반사되는 영역인 탄소계 섬유(43)와, 전자기적 손실율이 낮아서 전자파가 투과되는 영역인 비탄소계 섬유(44)가 복합재료 프리프레그 상태로 경사(warp)와 위사(fill) 형태로 상호 엇갈리게 직조 제작된다. 이 때, 주파수 선택층은 전자파가 입사되는 정면에 비탄소계 섬유(44)가 위치하고, 비탄소계 섬유(44)의 후면측에 탄소계 섬유(43)가 위치하더라도, 비탄소계 섬유(44)를 투과한 전자파가 탄소계 섬유(43)에 의해서 입사 반대방향으로 반사된다. 이로 인해, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 필요로 하는 주파수 대역의 전자파만이 투과된다.
즉, 본 발명의 주파수 선택층은 도 4에 도시된 평면도와 배면도와 같이 일정한 형상패턴을 갖는 단위 셀(cell)로 형성된다. 그리고, 주파수 선택층의 단위 셀은 투과면에 해당되는 비탄소계 섬유(44)의 영역인 슬롯의 폭(T1, T2), 반사면 영역에 해당되는 탄소계 섬유(43)의 폭(R1, R2) 또는 단위 셀의 주기 (Lx, L y), 탄소계 섬유(43)와 비탄소계 섬유(44)의 폭(W1, W2, W3)이 각각 다르게 형성됨으로써, 투과 면 영역과 반사면 영역이 조정된다. 이로 인해, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 단위 셀의 형상패턴이 달라지면서 투과면 영역과 반사면 영역이 조정되어, 다양한 주파수 대역의 전자파가 필요에 따라 선택적으로 취득된다.
참고로, 도 4에 도시된 탄소계 섬유(43)들과 비탄소계 섬유(44)들 간의 공간은 직조된 형상임을 보다 명확하게 하기 위해서 과장되게 표현된 것일 뿐이다. 그리고, 본 발명의 비탄소계 섬유(44)에는 전자기적 손실율이 낮아서 전자파가 투과될 수 있는 모든 종류의 소재가 사용되며, 가장 양호한 예로서 표 1과 같은 소재들 중에서 어느 하나가 사용되거나 혼용된 상태로 사용될 수 있다.
Figure 112004009407615-pat00001
그리고, 상기 주파수 선택층은 전자기적 손실성능을 갖는 유전체(42)의 일면(상부 또는 하부)에 적층되는데, 프리프레그 상태의 주파수 선택층은 복합재료 경화공정에 의해 유전체(42)에 일체로 결합 성형되거나, 주파수 선택층과 유전체(42)가 각각 성형된 후에 일체로 결합될 수도 있다.
이 때, 본 발명의 주파수 선택층은 상기와 같이 비강성과 비강도가 우수한 섬유강화 복합재료로서 유전체(42)에 일체로 결합되기 때문에, 구조적인 하중이 전달될지라도, 종래의 FSS 시트가 유전체에 금속도금 또는 금속증착되는 경우에 비해 보다 안정적으로 구조적인 하중을 분담하게 된다.
또한, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 도 7에 도시된 바와 같이 유전체(42)의 일면 또는 그 내부에 다른 형상패턴을 갖는 주파수 선택층이 적층 성형됨으로써, 전자파의 통과면 영역과 그 반사면 영역이 조정되어, 전자파의 반사 또는 흡수되는 주파수 대역이 보다 다양하게 조정될 수 있다.
그리고, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 상기와 같이 전자파를 흡수하도록 전자기적 손실이 있는 유전체(42)가 사용되는 경우에 대역저지필터(band-stop filter)로 제작되며, 전자기적 손실이 없는 소재의 유전체(42)가 사용되는 경우에 종래기술의 FSS 시트가 사용된 안테나와 같이 대역통과필터(band-pass filter)로 제작된다. 또한, 본 발명의 주파수 선택 필터(40)는 주파수 선택층의 단위 셀의 형상패턴 및 유전체(42)에 적층되는 주파수 선택층의 설치위치에 따라 투과 또는 반사되는 주파수 대역이 달라짐으로써, 필요에 따라 고역통과필터(high-pass filter) 또는 저역통과필터(low-pass filter)로 제작될 수 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 주파수 선택 필터는 직물형 복합재료로 형성되는 주파수 선택층의 단위 셀의 형상패턴 및 유전체에 적층되는 주파수 선택층의 설치위치에 따라 투과 또는 반사되는 전자파의 주파수 대역이 달라짐으로써, 전자파의 광대역화가 가능해지는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 주파수 선택 필터는 비강도와 비강성이 우수한 섬유강화 복합재료로 형성되는 주파수 선택층이 유전체에 일체로 성형됨으로써, 종래의 FSS 시 트에 비해 구조적인 하중 분담이 가능해져서 구조적으로 안정되면서도, 내부식성도 향상되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 주파수 선택 필터는 대역통과필터로서 종래기술의 안테나로 사용될 뿐만 아니라, 전자파 흡수성질이 있는 대역저지필터로서 레이더 회피 능력을 필요로 하는 전투기 또는 전함 등의 외피재로 유용하게 사용될 수 있는 장점이 있다. 그 외에도 본 발명의 주파수 선택 필터는 일반적인 주위환경 뿐만 아니라 극저온, 고온 또는 다습한 극한 환경에도 적합한 복합재료 기지(matrix)가 사용됨으로써, 다양한 환경에 적용 사용될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 주파수 선택 필터에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 주파수 대역에 따라 선택적으로 전자파가 반사되거나 투과 흡수되는 주파수 선택 필터로서,
    전기 전도도가 높아서 전자파가 반사되는 탄소계 섬유와, 전자기적 손실율이 낮아서 전자파가 투과되는 비탄소계 섬유가 일정한 형상패턴을 갖도록 상호 직조되는 주파수 선택층; 및
    상기 주파수 선택층이 그 일면 또는 내부 사이에 적층 결합되는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비탄소계 섬유에는 E-유리섬유, D-유리섬유, S-2 유리섬유, 석영, 케블라-49, 스펙트라 중 어느 하나가 사용되거나, 혼용된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유전체는 전자기적 손실이 없는 구조체인 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유전체는 전자기적 손실이 있는 구조체인 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수 선택층의 형상패턴은 직조되는 상기 탄소계 섬유 영역 또는 상기 비탄소계 섬유 영역의 각 폭에 따라 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수 선택층은 프리프레그 상태로 유전체에 적층된 후에 복합재료 경화공정에 의해 일체로 성형 결합되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 필터.
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