KR101846775B1 - Rf 평면파 렌즈 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도파관을 통해 입사되는 구면파의 산란을 억제하여 평면파 형태로 진행될 수 있도록 하는 렌즈 형상을 위상최적화설계(topology optimization)를 통해 2차원적으로 도출하는 것을 특징으로 하는 RF 평면파 렌즈 제조방법으로서, 본 발명에 의하면, 산란하는 RF파를 효율적으로 제어하여, 구면파를 평면파로 진행될 수 있게 하는 RF 평면파 렌즈의 제조가 가능하다.

Description

RF 평면파 렌즈 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING RF PLAN WAVE LENS}

본 발명은 RF파 렌즈를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 RF파를 평면파로 제어할 수 있는 RF파 집중 렌즈를 제조하는 방법에 관한 것이다.

무선주파수(Radio Frequency)는 3KHz~300GHz의 주파수 대역의 전자기파를 통칭하는 말로서, 무선 통신 분야에서 광범위하게 사용되는 전자기파의 주파수 대역이다.

분류하는 기준에 따라 마이크로파(Microwave)와 RF파를 구분 짓기도 하지만, 마이크로파 대역의 주파수와 RF파의 주파수 대역이 대부분 겹치기에 두 용어를 같은 의미로 혼용해서 사용하기도 한다.

무선주파수에서 8~12GHz의 주파수 대역을 X-band라 하며, X-band 대역은 위성통신, 레이더, 아마추어 무선 등 다양한 무선 통신 방면에서 응용된다.

RF파의 생성은 안테나에서의 방사를 통해 이루어진다.

RF파는 안테나에서 생성될 때와 마찬가지로 구면파로 생성되어 산란하게 되는데, 이러한 구면파는 진행한 거리의 제곱에 비례하여 그 세기가 감소하게 된다.

세기가 감소하게 되면, 그만큼 Rf파를 무선통신에 사용할 수 있는 거리가 줄어든다는 의미가 된다.

방사되는 Rf파를 특정 방향으로 집중시킬 수 있으면, 레이더의 탐지 능력을 향상시키는 데 큰 도움이 될 것이다.

그리고, 안테나 근거리에서 평면파를 구현할 수 있다면, EMI(electromagnetic interference) 등의 원거리장(far-field)에 대한 모사실험에서의 공간상 제약도 해결할 수 있을 것이다.

그런데, 종래의 렌즈(lens)는 파장이 나노미터(nanometer)인 짧은 광학 분야에서 많이 사용되는데, 주로 유리로 제작된 렌즈를 통해 가시광선, X선 등 나노미터 파장을 가지는 파동을 시준 한다.

하지만 무선주파수는 가시광선, X선 등의 주파수 대역에 비해 주파수가 큰 폭으로 변하기 때문에 기존 개념으로 렌즈를 적용하기가 어렵다.

그래서, 무선주파수 혹은 마이크로파 대역에서 사용되는 기존의 렌즈는 유리 혹은 파라핀으로 제작된 볼록 혹은 오목 렌즈의 형태이나, 곡률 설계에 의존하는 한계로 인해 전자기파의 위상제어가 한정적이며, 렌즈의 크기 및 공간에 대한 전계(electric field)분포 설계의 자유도가 크게 떨어진다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 산란하는 RF파를 효율적으로 제어하여, 구면파를 평면파로 변환시킬 수 있는 RF 평면파 렌즈를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 RF 평면파 렌즈 제조방법은, 도파관을 통해 입사되는 구면파의 산란을 억제하여 평면파 형태로 진행될 수 있도록 하는 렌즈 형상을 위상최적화설계(topology optimization)를 통해 2차원적으로 도출하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 위상최적화설계로서는 페이즈 영역 설계기법(phased field design method)를 채택하는 것을 특징으로 한다.

상기 페이즈 영역 설계 기법은 최적화 프로세스 동안 형상 갱신 계획(design update scheme)을 위해 반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)을 이용하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 위상최적화설계는 2차원적인 렌즈의 경계를 추적하여 2차원 형상을 도출하는 것이 된다.

이렇게 상기 RF파 집중 렌즈의 2차원 형상에 따라 제조되는 RF파 집중 렌즈는 단일 유전체로 제조되고, 2차원 평면상 유전율 분포가 상이한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제조되는 RF파 집중 렌즈의 2차원 형상은 평면상 좌우측이 대칭적인 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 RF 평면파 렌즈 제조방법에 의해 제조되는 렌즈는 위상최적설계(topology optimization)를 통해 형상학적으로 매질의 유전율 분포를 조절하여 RF파를 제어하고, 이를 이용하여 산란하는 RF파를 평면파로 변환시키는 성능을 가진다.

또한, 기존의 곡률설계 기반의 RF 렌즈에 비해 렌즈의 위치나 공간상의 제약에서 자유로우며, 원하는 특성 구현을 위한 설계가 용이하다.

또한, 추가적인 장비 없이 Rf파가 방사되는 위치에 렌즈를 부착하기만 하면 되므로 사용이 단순하고 편리하다.

또한, 레이더와 같은 탐지 장비의 경우, 특정 방향으로의 레이더 탐지 거리를 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 RF 평면파 렌즈의 설계모델을 도시한 것이다.
도 2는 RF파 집중 렌즈의 최적화 구조의 시뮬레이션을 도시한 것이다.
도 3은 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의해 제작되는 RF파 집중 렌즈의 형상을 도시한 것이다.
도 5는 시제작된 RF 집중 렌즈에 의한 실험 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 RF 평면파 렌즈 제조방법은 위상 최적화 설계(topology optimization)에 의해 설계되는데, 산란하는 RF파를 평면파로 전파될 수 있도록 설계된다.

이를 위해, 위상최적화 기술(topology optimization)로서 페이즈 영역 설계 기법(phased field design method)을 채택한다.

기존의 SIMP 방법과 비교하여, 페이즈 영역 설계 기법(phased field design method)은 최종 결과에서 클리어한 경계를 얻는 장점이 있고, 또한 별도의 필터링 기술이 필요치 않다.

그리고, 유한요소해석(finite element method)을 이용하여 RF 주파수 영역에서의 전자기파의 전파 문제를 해결한다.

전자기파의 전파는 맥스웰 방정식(Maxwell's equation)에 의해 기술될 수 있고, 2D TE파의 경우, 전자기파의 전파는 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)에 의해 해설될 수 있다.

여기서 파수(wave number) k는

로 정의되고,

과

는 유전율과 투과율을 나타낸다.

RF 평면파 렌즈의 설계 목적은 구면파를 평면파로 진행되도록 하는 것인 바, 목적함수(objective function)는 스캐터링되는 전기장이 최소화되도록 정의되어야 한다.

목적함수는 다음과 같다.

여기서,

는 이상적인 평면파인 경우의 전기장이고,

는 각각의 경우의 전기장이며,

는 스캐터링되는 전기장이 된다.

페이즈 영역 설계 기법(phased field design method)는 최적화 프로세스동안 형상 갱신 계획(design update scheme)을 위해 반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)을 이용한다.

반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)은 수학적인 모델로서, 두 다른 페이즈 간의 인터페이셜 층(interfacial layer) 의 역학적 관계를 기술하는 모델이다.

페이즈 전이(phase transition) 개념으로, 페이즈 영역 설계 기법(phased field design method)는 반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)을 채택하여 구조적으로 형상을 설계한다.

여기서, 두 다른 페이즈는 공기(air)와 고체물질에 해당한다.

반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)은 다음과 같이 정의된다.

여기서

는 분산계수이고, 이는 인터페이셜 층의 구조와 복잡성을 결정하는 것이다.

그리고, 우변의 둘째 항은 리액션 항목으로 이는 최적화 프로세스에서 형상 목적함수의 민감도이다.

다음으로, 설계의 제약을 적용하기 위해, 최초의 목적함수

는 오그멘티드 라그랑쟌(augmented Lagrangian)

으로 변경되고, 이는 목적함수와 페널티 변수를 갖는 제약(constraints)의 결합이 된다.

또한, 더블 웰 포텐셜 함수(double well potential function)가 형상의 민감도를 위해서 적용된다.

더블 웰 포텐셜 함수의 적용 효과는 설계 민감도가 인터페이셜 층에서 계산된다는 것이다.

그러므로, 최적화는 경계를 추적하는 방법이 된다.

그 이점은 수렴 증가와 더 단순한 형상을 가능하게 하는 것이다.

페이즈 영역 변수(phase field parameter)

는 설계 변수이고, 0에서 1의 범위를 가진다.

유전율은 물질의 고유값이고, 그것은 다음과 같이 페이즈 영역 변수로서 공식화된다.

공기의 유전율은 1이고, 유전체의 유전율은 2.45-0.03i로서, 유전체의 손실탄젠트(loss tangent)가 고려가 된다.

허수는 손실탄젠트로서, 파가 유전체를 지날 때 전자기파의 손실을 반영하는 값이다.

그리고, 손실탄젠트는 오차로 고려되어져야 한다. 왜냐하면, 손실탄젠트가 없는 이상적인 유전체는 세상에 존재하지 않기 때문이다.

실험에서 자성체의 투과율은 설계에서 고려되지 않았다. 실험에서 사용된 유전체는 자성체가 아니기 때문이다.

도1은 RF 평면파 렌즈의 설계모델을 나타낸다.

입력되는 10GHz TE파는 X-band 도파관(WR90)으로 전달된다.

도파관(20)의 출구에서 파는 분산되어 구면파로 전파된다.

RF 평면파 렌즈(10)는 도파관(20)의 출구로부터 약 50mm 이격되어 배치되고, 도시와 같이 세로 100mm, 가로 360mm로 하면, 가로 360mm의 평면영역(30)이 된다.

전자기파의 수치적 분석은 유한요소해석 상용 프로그램(COMSOL)을 이용하였고, 최적화 프로세스는 Matlab(수치해석 프로그램) 알고리즘을 통해 이루어졌다.

형상 목적 함수(design objective function)와 최적화 구조의 수렴 기록(convergence history)은 도 2와 같다.

최초 디자인은 대략 0.2를 나타내고, 최대 반복횟수는 500으로 설정되었다.

도 3에서는 RF 평면파 렌즈가 있는 경우와 없는 경우의 수치적 해석 결과를 전기장 분포로 보여준다.

도 3(a)는 RF 평면파 렌즈가 없이 자유공간으로 파가 진행된 결과로서, 이는 원통파가 된다.

도 3(b)는 RF 평면파 렌즈가 있는 경우의 전기장의 분포를 나타낸다.

파가 평면(plane) 상으로 고르게 전파됨을 알 수 있다.

도 4는 결과적으로 설계된 RF 평면파 렌즈의 평면적 형상이 된다.

입력파는 파의 세기가 사인파(sinusoidal) 형태인 가우시안 빔(Gaussian beam)이다.

그러므로, 빔을 평면파로 진행시키기 위해, 중앙의 구조는 매우 중요한 역할을 한다.

반면에, 대칭적인 양 측부의 형상 구조가 파가 측면으로 스캐터링되는 것을 억제한다.

재질은 폴리프로필렌으로, 유전율은 대략 2.9이다.

디텍터와 사이에 존재하는 에어갭(airgap)을 감안하면 실제적으로는 2.45로 계산되어진다.

도 2의 결과에서 나타나듯이, 최적화 형상은 일체형 형상이 아니어서, RF 평면파 렌즈에는 얇은 베이스층이 존재하고, 대략 300 마이크론으로 하였다.

맥스웰 가넷 방정식(Maxwell Garnett equation)을 근거한 effective medium theory에 따르면, 베이스층의 효과는 거의 무시 가능하다.

도 5는 시제작된 RF 집중 렌즈에 의한 실험 결과이다.

도 5(a)는 RF 평면파 렌즈가 적용되지 않은 경우로서, 시뮬레이션 결과와 같이 원형파를 보여준다.

도 5(b)는 RF 평면파 렌즈가 적용된 경우로서, 계산된 세기와는 다른 세기로 나타났지만, 빔이 평면적으로 고르게 전파됨을 알 수 있었다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : RF 평면파 렌즈
11 : 중앙부
12 : 측부
20 : 도파관
30 : 평면영역

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 도파관을 통해 입사되는 구면파의 산란을 억제하여 평면파 형태로 진행될 수 있도록 하는 렌즈 형상을 위상최적화설계(topology optimization)를 통해 2차원적으로 도출하는 것을 특징으로 하고,
   상기 위상최적화설계로서는 페이즈 영역 설계기법(phased field design method)를 채택하며,
   상기 페이즈 영역 설계 기법은 최적화 프로세스 동안 형상 갱신 계획(design update scheme)을 위해 반응-분산 공식(reaction-diffusion equation)을 이용함으로써, 최종 렌즈 형상에서 클리어한 경계를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는,
   RF 평면파 렌즈 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 위상최적화설계는 2차원적인 렌즈의 경계를 추적하여 2차원 형상을 도출하는 것을 특징으로 하는,
   RF 평면파 렌즈 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 RF 평면파 렌즈의 2차원 형상에 따라 제조되는 RF파 집중 렌즈는 단일 유전체로 제조되고, 2차원 평면상 유전율 분포가 상이한 것을 특징으로 하는,
   RF 평면파 렌즈 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제조되는 RF 평면파 렌즈의 2차원 형상은 평면상 좌우측이 대칭적인 구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
   RF 평면파 렌즈 제조방법.

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