KR100632298B1 - 다중 주파수 대역 차단용 주파수 선택 반사기 - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 다중 주파수 대역 차단용 주파수 선택 반사기에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 단위 셀로서 삼각폴과 삼각가지 모양 루프가 서로 겹치지 않도록 결합된 구조를 사용함으로써, 전자파의 편파에 영향을 받지 않고 다중 차단 주파수 대역을 간편하게 조정할 수 있는 주파수 선택 반사기를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 다중 주파수 대역 차단을 위한 주파수 선택 반사기로서, 유전체층; 및 상기 유전체층 상부에 주기적으로 배열되며, 삼각폴과 삼각가지 모양 루프가 서로 겹치지 않도록 결합된 단위 셀을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 대역 저지 필터의 설계 등에 이용됨.
주파수 선택 반사기, 대역 저지 필터, 삼각폴, 삼각가지 모양 루프

Description

다중 주파수 대역 차단용 주파수 선택 반사기{Frequency Selective Surface Blocking Multiple Frequency Bands}
도 1은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 일실시예 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 단위 셀 배열 구조를 나타낸 일실시예 도면
도 3은 도 2의 단위 셀의 구성을 상세히 나타낸 도면,
도 4는 도 2의 인접한 단위 셀을 상세히 나타낸 도면,
도 5는 단위 셀의 구조에 따른 주파수 선택 반사기의 공진 주파수 특성을 나타내는 일실시예 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 유전체 코팅층의 두께에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 단위 셀 간격에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 삼각폴의 폭에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프,
도 9는 이동통신 서비스 주파수 대역에 따라 제작한 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 해석 결과를 나타낸 일실시예 그래프,
도 10은 유전체 코팅층이 없는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 예측값과 실험값에 대한 일실시예 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 유전체층 12 : 단위 셀의 도체부분
13 : 유전체 코팅층 21 : 삼각폴
22 : 삼각가지 모양 루프
본 발명은 주파수 선택 반사기(FSS:Frequency Selctive Surface)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼각폴과 삼각가지 모양의 루프가 주시적으로 배열되어 다중 주파수 선택 특성을 갖는 주파수 선택 반시기에 관한 것이다.
주파수 선택 반사기(FSS)는 유전체 판상 위에 도체 또는 슬롯이 주기적으로 배열된 구조를 의미한다. 주파수 선택 반사기는 일종의 공간 여파기로 어떤 특정 주파수만 투과시키거나 반사시키는 특성을 갖는다.
주파수 선택 반사기의 응용 분야는 안테나의 레이돔(radome)이나 이중 대역 반사판(dichroic reflector), 반사 배열 렌즈(reflect array lense) 등의 비교적 고전적인 분야로부터, EMI 보호(protection), RCS(radar cross section)의 증대, 전파탐지회피(stealth), AMC(artificail magnetic conductor) 등과 같은 현대적인 분야에 이르기까지 광범위하다.
이러한 주파수 선택 반사기에서 단일 주기에 해당하는 구조를 단위 셀(unit cell)이라 한다. 주파수 선택 반사기는 단위 셀의 기하학적인 모양, 배열 형태, 배열 주기, 그리고 사용된 유전체 및 도체의 재질 특성 등에 따라 주파수 응답 특성의 변화가 심하다. 일반적으로 직사각형이나 동심원 등과 같이 모양은 동일하면서 크기는 서로 다른 구조들이 단위 셀로 널리 이용된다.
그러나, 종래의 주파수 선택 반사기는 전자파의 편파에 따라 주파수 선택 특성이 일정하지 않고 또한 다중 대역의 주파수에서 정확하게 전자파를 차단할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 종래의 주파수 선택 반사기는 단순히 도체 혹은 개구면의 길이 등을 조절하여 차단 주파수를 튜닝함으로써 설계 변경에 따른 비용 증가의 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단위 셀로서 삼각폴과 삼각가지 모양 루프가 서로 겹치지 않도록 결합된 구조를 사용함으로써, 전자파의 편파에 영향을 받지 않고 다중 차단 주파수 대역을 간편하게 조정할 수 있는 주파수 선택 반사기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다중 주파수 대역 차단을 위한 주파수 선택 반사기로서, 유전체층; 및 상기 유전체층 상부에 주기적으로 배열되며, 삼각폴과 삼각가지 모양 루프가 서로 겹치지 않도록 결합된 단위 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주파수 선택 반사기는 삼각폴의 끝부분과 삼각가지 모양 루프의 안쪽 끝부분이 서로 맞물린 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주파수 선택 반사기는 인접한 단위 셀이 기하학적으로 맞물린 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주파수 선택 반사기는 공진 주파수를 변화시키기 위해 전체적으로 유전체가 코팅된 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명 을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이 때, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기를 나타내는 일실시예 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 얇은 유전체층(11) 상부에 도체로 구성된 단위 셀(12)이 주기적으로 배열된다. 그리고, 얇은 유전체층(11)의 하부와 단위 셀(12)의 상부는 유전체 코팅층(13)으로 이루어진다. 이 때, 단위 셀(11)은 삼각폴(tripole)과 삼각가지 모양 루프(ternary tree type loop)가 서로 겹치지 않도록 결합된 구조로서 이하 실시예에서 자세히 설명한다.
한편, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기를 설계하고 주파수 특성 실험을 위한 파라미터를 정의한다. 도 1에서 h1은 유전체층(11)의 두께를 의미하고, ε1은 유전체층(11)의 상대 유전율(relative permittivity)을 의미하며, h2는 유전체 코팅층(13)의 두께를 의미하고, ε2는 유전체 코팅층(13)의 상대 유전율을 의미하며, t는 단위 셀의 도체부분(12)의 두께를 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 단위 셀 배열 구조를 나타낸 일실시예 도면이고, 도 3은 도 2의 단위 셀의 구성을 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기에는 삼각폴 (21)과 삼각가지 모양 루프(22)가 서로 겹치지 않도록 결합된 단위 셀(12)이 유전체층(11) 상부에 주기적으로 배열된다. 이러한 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 삼각폴(21)과 삼각가지 모양 루프(22)가 결합함으로써 전자파의 편파에 영향을 받지 않는다.
한편, 주파수 선택 반사기는 삼각폴(21)만을 단위 셀로서 사용하거나, 삼각가지 모양 루프(22)만을 단위 셀로서 사용할 수 있다. 그러나, 도 3과 같이 삼각가지 모양 루프(22) 내부에 삼각폴(21)이 겹치지 않도록 배치된 단위 셀(12)을 사용하는 경우, 삼각폴(21) 및 삼각가지 모양 루프(22)의 길이, 삼각폴(21)과 삼각가지 모양 루프(22) 사이의 간격 등의 변화에 따라 공진 주파수 특성이 변하여 차단 주파수 대역을 결정할 수 있다.
도 4는 도 2의 인접한 단위 셀을 상세히 나타낸 도면이다.
도 4의 참조부호 400은 두 단위 셀의 접합 부분을 확대한 것으로서, 한 단위 셀의 끝 부분(401)이 다른 단위 셀의 꺽인 부분(402)에 정확하게 맞물린다. 또한, 한 단위 셀에서 삼각폴의 가장 끝 부분(403)과 삼각가지 모양 루프의 안쪽 가장 끝 부분(404)이 정확하게 맞물린다.
한편, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기를 설계하고 주파수 특성 실험을 위한 파라미터를 정의한다. 도 4에서, dy는 두 단위 셀의 중심거리 중 세로 방향의 거리, dx는 두 단위 셀의 중심거리 중 가로 방향의 거리를 의미한다. g는 단위 셀 사이의 간격, a는 삼각폴의 폭, w는 삼각가지 모양 루프를 이루는 도체의 폭, b는 삼각가지 모양 루프의 폭, angle은 두 단위 셀을 잇는 중심선이 수평방향에 대해 기울어진 각도, l1은 단위 셀의 중심으로부터 삼각가지 모양 루프의 가장 끝 부분까지의 거리, l2은 단위 셀의 중심으로부터 삼각폴의 가장 끝 부분까지의 거리, c1은 삼각폴과 삼각가지 모양 루프 사이의 거리를 의미한다.
이 때, 단위 셀 내부에서의 구조간의 간격(c1, c2, c3) 및 단위 셀 사이의 간격(g)은 최소 0으로부터 시작할 수 있도록 한다. 이러한 최소 간격은 주파수 선택 반사기의 설계 및 디자인의 단계에서 공진 주파수 미세 조정의 가능 범위를 넓게 한다.
도 5는 단위 셀의 구조에 따른 주파수 선택 반사기의 공진 주파수 특성을 나타내는 일실시예 그래프로서, 주파수 선택 반사기의 단위 셀이 삼각폴인 경우(510), 삼각가지 모양 루프인 경우(520), 그리고 본 발명에 따라 삼각폴과 삼각가지 모양 루프를 모두 이용하는 경우(530) 각각에 대한 공진 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 설계 조건은 [표1]과 같다.
Figure 112005013552364-pat00001
주파수 선택 반사기의 단위 셀이 삼각폴인 경우(510) 하나의 공진 주파수(511)가 나타나고, 단위 셀이 삼각가지 모양 루프인 경우(520) 두개의 공진 주파수(521, 522)가 나타난다. 반면, 본 발명에 따라 단위 셀로서 삼각폴과 삼각가지 모양 루프를 모두 이용하는 경우(530)에는 세개의 공진 주파수(531, 532, 533)가 나타난다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단위 셀로서 삼각폴 또는 삼각가지 모양 루프만을 사용한 경우보다 본 발명에 따른 단위 셀을 사용한 경우 공진 주파수는 모두 낮아진다. 즉, 삼각폴과 삼각가지 모양 루프 사이의 정전용량(capacitance)이 증가하여 전체적인 공진 주파수가 낮아진다. 이러한 특성은 단위 셀의 크기를 좀 더 작게 만들어 전체적인 FSS의 크기를 줄일 수 있는 장점을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 3개의 공진 주파수를 발생시킨다. 이하 실시예에서 상기 3개의 공진 주파수 중 삼각가지 모양 루프로 인하여 발생하는 1, 2차 공진 주파수를 참조부호 61, 62로 나타내고, 삼각폴로 인하여 발생하는 1차 공진 주파수를 63으로 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 유전체 코팅층의 두께에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 유전체 코팅층의 두께(h2)가 증가함에 따라 공진 주파수가 급격하게 낮아지다가 완만하게 낮아진다.
도 7은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 단위 셀 간격에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 단위 셀의 간격(g)이 멀어짐에 따라 공진 주파수 사이의 간격이 줄어든다.
도 8은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 삼각폴의 폭에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸 일실시예 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 삼각폴의 폭(a)이 증가함에 따라 삼각가지 모양 루프로 인한 1차 및 2차 공진 주파수(61, 62)의 크기가 작아진다.
도 6 내지 도 8과 같은 결과를 바탕으로 단위 셀 내의 삼각폴과 삼각가지 모양 루프 사이의 정전용량 값을 유추함으로써 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 차단 주파수를 정확히 예측할 수 있다.
도 9는 이동통신 서비스 주파수 대역에 따라 제작한 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 해석 결과를 나타낸 일실시예 그래프이다.
도 9의 해석 결과에 대한 설계 파라미터는 아래 [표2]와 같다. 이 때, 타입I은 유전체 코팅층(13)이 없는 경우이고, 타입Ⅱ는 유전체 코팅층(13)의 두께(h2)가 1.6mm인 경우이다.
Figure 112005013552364-pat00002
한편, 저지 대상 이동통신 서비스 주파수 대역은 아래 [표3]과 같다.
Figure 112005013552364-pat00003
[표3]을 참조하면, 셀룰러(cellular) 이동전화 서비스의 중심 주파수는 859MHz이고, 개인휴대통신(PCS) 서비스의 중심 주파수는 1810MHz, 무선랜 서비스의 중심 주파수는 2442MHz이다.
도 9에 도시된 바와 같이, [표2]의 파라미터를 갖는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 f1(859MHz), f2(1810MHz), f3(2442MHz)의 공진 주파수를 갖고, 이러한 공진 주파수는 상기와 같은 저지 대역의 중심 주파수와 일치한다.
도 10은 유전체 코팅층이 없는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 예측값과 실험값에 대한 일실시예 그래프이다. 즉, 상기 [표2]의 타입I으로 설계된 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 예측값과 실험값을 비교한 결과이다.
도 10에서 참조부호 110은 유전체 코팅층이 없는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 예측값이고, 참조부호 120(H,H)은 송수신 안테나의 편파가 모두 수평편파(horizontal polarization)인 경우 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 실험값이며, 참조부호 130(V,V)은 송수신 안테나의 편파가 모두 수직편파(vertical polarization)인 경우 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 실험값이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 [표2]의 타입I으로 설계된 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기의 주파수 특성 예측값은 실제 측정한 실험값과 비교적 정확히 일치한다. 따라서, 도 6 내지 도 8과 같은 해석 결과를 바탕으로 정해진 차단 주파수에 정확히 공진하는 주파수 선택 반사기를 설계할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는 전자파의 편파에 영향을 받지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 삼각폴과 삼각가지 모양 루프 상호간의 정전용량을 조정함으로써 다중 차단 주파수의 세부 튜닝이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 실내 정숙 또는 기타 목적의 이동전화 사용 금지를 위한 주파수 대역의 차폐, 그리고 무선랜 주파수 대역의 외부 누설을 막아 기업의 정보 보안을 위한 주파수 대역의 차폐 등과 같은 다양한 목적에 사용이 가능한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 다중 주파수 대역 차단을 위한 주파수 선택 반사기로서,
    유전체층; 및
    상기 유전체층 상부에 주기적으로 배열되며, 삼각폴과 삼각가지 모양 루프가 서로 겹치지 않도록 결합된 단위 셀
    을 포함하는 주파수 선택 반사기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각폴의 끝부분과 상기 삼각가지 모양 루프의 안쪽 끝부분이 서로 맞물린 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    인접한 단위 셀이 기하학적으로 맞물린 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각폴의 외부면과 상기 삼각가지 모양 루프의 내부면이 서로 평행한 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각폴 및 상기 삼각가지 모양 루프의 길이가 조정됨으로써 공진 주파수가 튜닝되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각폴의 폭이 조정됨으로써 공진 주파수가 튜닝되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼각폴과 상기 삼각가지 모양 루프 사이의 간격이 조정됨으로써 공진 주파수가 튜닝되는 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    공진 주파수를 변화시키기 위해 전체적으로 유전체가 코팅된 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
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