KR101445576B1 - 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조 - Google Patents

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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 C-밴드인 7㎓ 대역에서 바이어스 전압에 따라 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조에 관한 것으로, 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체부와, 상기 유전체부의 상면에 배치되고, 단위 셀이 주기적으로 배열되는 박막 형태의 도체부 및 상기 유전체부의 하면에 배치되어 상기 도체부에 바이어스를 인가하는 스트립 라인부를 포함하고, 상기 도체부의 단위 셀은, 중앙이 개구되고 일정 폭의 테두리를 가지는 정사각형 형태의 접지 그리드와, 마름모 형태로 이루어져 상기 접지 그리드의 중앙에 배치되고, 각 모서리가 상기 접지 그리드의 각 변 중앙과 일정간격 이격되어 배치되는 패치와, 상기 패치의 중앙 및 대응되는 상기 유전체 및 상기 스트립 라인부를 관통하여 형성된 비아 홀(via hole) 및 상기 접지 그리드의 상측 변 및 하측 변과 대응하는 상기 패치의 모서리를 서로 연결하는 바랙터 다이오드(varactor diode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조{RECONFIGURABLE FREQUENCY SELECTIVE SURFACE USING MUSHROOM STRUCTURE}
본 발명은 재구성 주파수 선택 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 C-밴드인 7㎓ 대역에서 바이어스 전압에 따라 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조에 관한 것이다.
주파수 선택 구조(Frequency Selective Surface)는 유전체 기판 위에 도체 또는 슬롯이 주기적으로 배열되어 특정 주파수만 투과시키거나, 또는 반사시키는 특성을 갖는 전자기 구조로 전자기공간필터로 사용된다(S. W. Lee, G. Zarrillo, and C. L. Law, "Simple formulas for transmission through metal periodic grids or plates", IEEE Trans. on Antennas & Prop., vol. 30, no. 5, pp. 904-909, Sep. 1982.).
일반적으로 주파수 선택 구조의 전자기적 특성은 기본 단위요소의 형상과 크기, 배열 주기 및 배열 형상에 따라 달라지며, 개구면 타입의 주파수 선택 구조는 특정 주파수 대역을 투과시켜 유도성(inductive) 주파수 선택 구조, 패치 타입의 주파수 선택 구조는 특정 대역을 반사시키는 특성을 가지므로 용량성(capacitive) 주파수 선택 구조라고도 한다.
특히, 대역 통과 특성을 갖는 주파수 선택구조는 스텔스 레이돔 또는 리플렉터어레이(Reflectarray) 등 여러 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있다(E. L. Pelton and B. A. Munk, “A streamlined metallic radome”, IEEE Trans. on Antennas & Prop., 22 , 799-803, 1974. 및 A. E. Martynyuk, J. I. Martinez Lopez, and N. A. Martynyuk, “Spiraphase-type reflectarrays based on loaded ring slot resonators”, IEEE Trans. on Antennas & Prop., 52, 142-153, 2004.)
최근, 단일 주파수 대역만을 통과하는 수동형 주파수 선택적 표면 구조의 특성을 개선하고자, 주파수를 능동적으로 변화시킬 수 있는 주파수 선택구조인 능동형 주파수 선택구조에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
능동형 주파수 선택구조의 주파수를 변화시키는 방법으로는 핀 다이오드(PIN Diode), 바랙터 다이오드(Varactor Diode), MEMS(Micro-electro-mechanical Systems) 등의 능동소자를 이용하는 방법이 일반적이다.
핀 다이오드를 이용한 방법은, [G. I. Kiani, K. L. Ford, L. G. Olsson, K. P. Esselle and C. J. Panagamuwa, “Switchable frequency selective surface for reconfigurable electromagnetic architecture of buildings”, IEEE Trans. on Antennas & Prop., 58.2, 581-584, 2010.]에 개시된 바와 같이, 바이어스 전압에 따른 다이오드의 단락(ON) 또는 개방(OFF) 상태를 이용하여 동작 주파수를 가변시키는 방법으로, 동작 주파수의 가변범위가 넓은 장점이 있는 반면에 가변가능한 동작 주파수가 두 가지로 한정된다는 문제점이 있었다.
또한, 바랙터 다이오드를 이용한 방법은 바이어스 전압에 따라 다이오드의 커패시턴스를 가변시킴으로써 동작 주파수를 가변시키는 방법으로, [D. T. M. Rosales, A. E. Martynyuk, J. I. M. Lopez and J. R. Cuevas, “Frequency selective surfaces based on ring slots loaded with monolithically integrated capacitors.”, Microwaves, Antennas & Propagation, IET, 245-250, 2012.]에서 나타낸 바와 같이, 다양한 동작 주파수의 구현이 가능하다는 장점이 있는 반면에 높은 주파수 대역에서 구현이 어렵고, 높은 제작비용이 요구된다는 문제점이 있었다.
따라서, 바랙터 다이오드를 이용하여 능동형 주파수 선택 구조를 설계하는 경우, 대부분 낮은 주파수 대역에서 동작을 목적으로 설계되었고, 높은 주파수 대역에서는 20-200fF 범위를 가지는 가변 커패시터를 사용하였다.
또한, MEMS를 이용한 방법은, [B. Schoenlinner, A. A. Tamijani, L. C. Kempel and G. M. Rebeiz, “Switchable low-loss RF MEMS Ka-band frequency-selective surface”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 52.11, 2474-2481, 2004. 및 D. Robben, S. F. Peik, T. Henning, M. Becker and K. Froehner, “Laser machined microsystems for active frequency selective surfaces”, Microwave Symposium Digest (MTT), 2012 IEEE MTT-S International, 1-3, 2012.]에 개시된 바와 같이, 기계적인 스위칭 기능, RF MEMS 등의 기능을 이용하여 구현되며, 낮은 제작 비용, 낮은 손실과 고격리 특성, 빠른 스위칭 시간 등의 장점이 있는 반면에, 구현되는 동작 주파수의 협대역 특성과 MEMS 소자의 상당히 작은 크기를 갖는 물리적인 특성으로 가변 가능한 커패시터 용량의 동적 범위가 작다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유연성을 가지는 유전체를 사용하여 바이어스 전압에 따라 능동적으로 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 재구성 주파수 선택 구조의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고 주파수 대역(예를 들어, C 밴드인 7㎓ 대역)에서 구현될 수 있도록 머쉬룸 구조를 이용하여 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 재구성 주파수 선택 구조의 제공을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 상용 바랙터 다이오드를 이용하여 커패시턴스의 변화에 따른 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 재구성 주파수 선택 구조의 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.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조는, 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체부와, 상기 유전체부의 상면에 배치되고, 단위 셀이 주기적으로 배열되는 박막 형태의 도체부 및 상기 유전체부의 하면에 배치되어 상기 도체부에 바이어스를 인가하는 스트립 라인부를 포함하고, 상기 도체부의 단위 셀은, 중앙이 개구되고 일정 폭의 테두리를 가지는 정사각형 형태의 접지 그리드와, 마름모 형태로 이루어져 상기 접지 그리드의 중앙에 배치되고, 각 모서리가 상기 접지 그리드의 각 변 중앙과 일정간격 이격되어 배치되는 패치와, 상기 패치의 중앙 및 대응되는 상기 유전체 및 상기 스트립 라인부를 관통하여 형성된 비아 홀(via hole) 및 상기 접지 그리드의 상측 변 및 하측 변과 대응하는 상기 패치의 모서리를 서로 연결하는 바랙터 다이오드(varactor diode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조는, 상기 스트립 라인부가 상기 접지 그리드의 양 측변 중앙과 대응되는 위치에 배치되고, 외부에서 공급되는 바이어스를 상기 비아 홀을 통해 상기 패치와 연결되는 각 바랙터 다이오드에 인가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조는, 상기 도체부가 구리 재질로 이루어지고, 상기 유전체부는 폴리이미드(Polyimide) 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조는, 상기 바랙터 다이오드, 패치 및 접지 그리드가 납땜을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조는, 상기 재구성 주파수 선택 구조가 C 밴드 대역에서 동작가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조에 따르면, 고 주파수 대역, 예를 들어, C 밴드인 7㎓ 대역에서 구현될 수 있도록 머쉬룸 구조를 이용하여 바이어스 전압에 따라 능동적으로 동작 주파수 특성을 변화시킬 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명에 따르면 상용 바랙터 다이오드(Varactor Diode)를 이용하여 재구성 주파수 선택 구조를 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은, 유연성을 가지는 유전체인 폴리이미드(Polyimide)를 사용함으로써, 필름 형태의 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)에 구현된 재구성 주파수 선택 구조가 휘어짐이 가능하여 항공기 또는 군함 등에서 사용되는 곡면형상 레이돔과 같은 구조에 적용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 머쉬룸(mushroom) 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀을 나타내는 상면도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀을 나타내는 저면도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀을 나타내는 측면도이다.
도 4는, 도 1 내지 도 3에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 통해 주파수 변화에 따른 반사 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 5는, 도 1 내지 도 3에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 통해 주파수 변화에 따른 투과 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 6은, 도 1 내지 도 3에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 통해 각 동작 주파수에서 입사각에 따른 반사 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 5X5의 단위셀로 이루어지는 재구성 주파수 선택 구조를 각각 나타내는 상면도 및 저면도이다.
도 8은, 도 7의 재구성 주파수 선택 구조를 통해 각 동작 주파수에서 측정되는 반사 특성을 나타내는 예시도이다.
도 9는, 도 7의 재구성 주파수 선택 구조를 통해 각 동작 주파수에서 측정되는 투과 특성을 나타내는 예시도이다.
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 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 머쉬룸(mushroom) 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀의 상면도, 저면도 및 측면도를 각각 나타낸다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀(10)은 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태로 일정 두께(T)를 가지는 유전체부(100)와, 이 유전체부(100)의 상면에 배치되도록 일정 두께(t)를 가지는 박막 형태의 도체부(200) 및 유전체부(100)의 하면에 배치되어 상면에 배치된 도체부(200)에 바이어스, 예를 들어 DC 전원을 인가하는 스트립 라인부(300)를 포함할 수 있다.
유전체부(100)는 폴리이미드(Polyimide) 수지로 이루어져 유연성을 가지기 때문에 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조는 곡면형상 구조에 적용가능한 특징이 있다.
유전체부(100)의 상면에 배치되는 도체부(200)는, 구리 재질의 박판으로 이루어지고, 중앙이 개구되며 일정 폭의 테두리를 가지는 정사각형 형태의 접지 그리드(210)와, 접지 그리드(210)의 중앙에 배치되도록 마름모 형태로 이루어지는 패치(220)를 포함할 수 있다. 또한, 패치(220)의 중앙에는 이 패치(220)의 중앙과 대응되는 유전체(100) 및 스트립 라인부(300)를 관통하여 비아 홀(via hole)(230)이 형성될 수 있다.
또한, 이 패치(220)는 각 모서리가 접지 그리드(210)의 테두리 각 변 중앙과 일정간격 이격되어 배치되고, 특히, 도면에 나타낸 바와 같이, 접지 그리드(210)의 상측 변 및 하측 변과 대응하는 패치(220)의 모서리에는 인가되는 전원(바이어스)에 따라 동작 주파수를 가변시키는 바랙터 다이오드(varactor diode)(240)가 각각 연결될 수 있다. 이때, 바랙터 다이오드(240)는 접지 그리드(210) 및 패치(220)와 납땜을 통해 서로 연결될 수 있다.
도 4 내지 도 6은, 도 1 내지 도 3에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 통해 주파수 변화에 따른 반사 특성, 투과 특성 및 각 동작 주파수에서 입사각에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 예시도로, 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조에 대해 별도의 시뮬레이터(예를 들어, Ansoft사 HFSS의 Floquet Mode)를 사용하여 결과를 검증하였다.
이때, 재구성 주파수 선택 구조는 접지 그리드(210)와 유전체부(100)의 각 변의 길이는 40.9㎜, 접지 그리드(210)의 각 변의 폭은 1.52㎜, 패치(220)의 각 모서리 폭은 2.74㎜, 패치(220)의 각 모서리와 접지 그리드(210)의 내측 변과의 이격된 거리는 1.20㎜, 그리고 비아 홀(230)은 0.8 X 0.8㎜로 형성되었다.
또한, 유전체부(100)의 하면에 배치되는 스트립 라인부(300)는 폭이 0.8㎜, 유전체부(100)의 두께는 0.0254㎜, 도체부(200)의 두께는 0.035㎜로 설계되었다.
또한, 가변되는 커패시턴스값을 0.35㎊(12V), 0.38㎊(10V), 0.44㎊(8V), 0.55㎊(6V), 0.81㎊(4V), 1.2㎊(2V), 2.22㎊(0V)으로 각각 변화시키면서 반사 및 투과 특성을 계산하였다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 시뮬레이션 결과로부터 약 6.62㎓부터 7.28㎓ 사이에서 0-12V 까지 입력 전압에 따른 각각의 커패시턴스에 따라 동작 주파수의 변화를 갖는 주파수 특성을 확인할 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 입사파의 입사각의 따른 반사 특성은 각 입사각에 따른 변화가 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 전원인가를 위한 스트립 라인과 슬롯에 위치 한 바랙터 다이오드의 비대칭적인 구조적 특징으로부터 기인하는 것으로 판단될 수 있다.
또한, 시뮬레이션 결과, 커패시터의 용량이 작아짐에 따라 동작 주파수가 낮은 주파수 대역으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
[실시예]
도 7의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 5 X 5의 단위 셀로 이루어지는 머쉬룸 구조의 재구성 주파수 선택 구조를 각각 나타내는 상면도 및 저면도로, 도 1 내지 도 3의 본 발명에 따른 재구성 주파수 선택 구조를 이루는 단위 셀의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 5 X 5의 단위 셀(10)을 가지는 크기 204.5㎜ X 204.5㎜의 재구성 주파수 선택 구조(1)를 제작하였다.
제작된 재구성 주파수 선택 구조(1)에 대해 자유공간 측정법을 사용하여 반사 및 투과 특성을, 전원 공급기를 이용하여 0 - 12V까지 2V 간격으로 각 스트립 라인부(300)에 공급하고 각각의 전압에 따라 측정하였다. 측정한 반사 특성과 투과 특성 결과는 도 8 및 도 9에 나타내었다.
측정된 각 전압에서의 동작주파수의 가변 범위는 약 6.6㎓-7.6㎓(약 1㎓)를 얻었으며, 측정된 반사 특성과 투과 특성이 시뮬레이션과 대체로 일치하는 결과를 확인할 수 있다.
0.38㎊(10V) 이상에서의 측정 동작주파수의 오차는 측정이 무반사실에서 이루어지지 않아, 측정 시간이 길어짐에 따라 반사된 신호가 누적됨에 따라 발생한 측정오차와 제작으로 인한 오차에 기인한다고 판단될 수 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.
1 : 재구성 주파수 선택 구조
10 : 단위 셀
100 : 유전체부
200 : 도체부
210 : 접지 그리드
220 : 패치
230 : 비아 홀
240 : 바이랙터 다이오드
300 : 스트립 라인부

Claims (6)

  1. 유연성 재질로 이루어지는 박막 형태의 유전체부;
    상기 유전체부의 상면에 배치되고, 단위 셀이 주기적으로 배열되는 박막 형태의 도체부; 및
    상기 유전체부의 하면에 배치되어 상기 도체부에 바이어스를 인가하는 스트립 라인부;를 포함하고,
    상기 도체부의 단위 셀은,
    중앙이 개구되고 일정 폭의 테두리를 가지는 정사각형 형태의 접지 그리드;
    마름모 형태로 이루어져 상기 접지 그리드의 중앙에 배치되고, 각 모서리가 상기 접지 그리드의 각 변 중앙과 일정간격 이격되어 배치되는 패치;
    상기 패치의 중앙 및 대응되는 상기 유전체 및 상기 스트립 라인부를 관통하여 형성된 비아 홀(via hole);
    상기 접지 그리드의 상측 변 및 하측 변과 대응하는 상기 패치의 모서리를 서로 연결하는 바랙터 다이오드(varactor diode);를 포함하는 것을 특징으로 하는 머쉬룸(mushroom) 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트립 라인부는,
    상기 접지 그리드의 양 측변 중앙과 대응되는 위치에 배치되고,
    외부에서 공급되는 바이어스를 상기 비아 홀을 통해 상기 패치와 연결되는 각 바랙터 다이오드에 인가시키는 것을 특징으로 하는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체부는 구리 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체부는 폴리이미드(Polyimide) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바랙터 다이오드, 패치 및 접지 그리드는 납땜을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재구성 주파수 선택 구조는 C 밴드 대역에서 동작가능한 것을 특징으로 하는 머쉬룸 구조를 이용한 재구성 주파수 선택 구조.
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