KR102005512B1

KR102005512B1 - 초광대역 주파수 차단특성을 갖는 주파수 선택표면 구조

Info

Publication number: KR102005512B1
Application number: KR1020190065475A
Authority: KR
Inventors: 권오범; 김윤재; 홍익표; 이인곤; 조성실; 김호진
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2019-07-30

Abstract

본 발명의 일 실시 예는, 주파수선택표면(Frequency Selective Surface)구조로서, 상기 주파수선택표면 구조는, 유전기판에 배열되어 초광대역(UWB) 차단특성을 갖는 정사각형 형태의 단위셀을 복수 개 포함하고, 상기 단위셀은, 중심부에 정사각형형태의 제1패턴 및 상기 제1패턴을 둘러싸는 네 개의 직사각형 형태의 제2패턴을 포함하고, 상기 제2패턴마다 전도성 카본 잉크(conductive carbon ink)로 구현된 저항소자패턴이 하나씩 대응되어 배치된 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조를 개시한다.

Description

초광대역 주파수 차단특성을 갖는 주파수 선택표면 구조 {A thin broadband frequency selective surface structure with selective UWB frequency band blocking}

본 발명은 주파수 선택표면 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 초광대역 주파수를 선택적으로 차단할 수 있는 비적층형 주파수 선택표면 구조에 관한 것이다.

최근 3.5GHz 대역을 이용한 5세대(5G) 무선통신 기술의 발달로 무선 기기 및 무선 트래픽 수요가 급격히 증가하여 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위해 가정이나 사무실 등 실내 공간에서 대용량의 정보 전송이 가능한 초광대역(UWB, Ultra-Wideband)기술에 대한 수요가 증가하고 있다. UWB 기술은 3.1GHz 내지 10.6GHz 주파수 대역에서 1나노초 이하의 좁은 펄스 신호를 이용하여 대용량의 정보 전송을 전송하는 기술을 의미하며, UWB 기술 고유의 초광대역 특성을 기반으로 무선통신이나 레이더 등 다양한 분야에서 연구되고 있다.

한편, 이러한 레이더 신호로부터 탐지를 피하기 위해 입사하는 UWB 레이더 신호만을 선택적으로 차단하는 주파수 선택표면 구조(FSS, Frequency Selective Surface)를 이용한 연구가 이루어지고 있다. 선택적으로 특정 주파수 대역을 통과 또는 차단시키는 특성을 갖는 주파수 선택 표면은 유전기판 위에 일정한 형상을 갖는 전도성 패턴을 단위구조로 하여 무한히 배열한 구조를 갖는다.

주파수 선택표면 구조의 단위구조는 다이폴(dipole) 구조, 패치(patch) 구조, 루프(loop) 구조 등의 패턴 형상을 조합하여 다양한 패턴을 설계하고, 패턴의 크기 또는 유전기판의 매질 등 변화를 통해 주파수 선택표면 구조의 주파수와 대역폭 등을 결정한다.

일반적으로 광대역 특성을 갖기 위해서는 주파수 선택표면 구조를 다층으로 적층한 구조로 구현하지만 구조의 두께가 두꺼워지는 단점이 있어, 위와 같은 단점을 회피하기 위해서, 유전제층의 윗면과 아랫면에 금속 도체층을 형성한 단층형 광대역 주파수 선택표면 구조 설계 기술이 사용되기도 한다.

다만, 종래기술로 광대역 주파수 선택 표면 구조를 설계하는 경우 주파수 선택 표면 구조의 자체의 두께는 얇아지지만 적층형 주파수 선택표면 구조보다 협대역 특성을 가져서 광대역 특성을 갖기 위해 설계된 구조라는 취지에 부합하기 어려운 측면이 있을 뿐만 아니라, 입사파 변화에 따라 안정적인 주파수 응답을 구현하기 어렵고 복잡한 제작과정으로 제작비용이 높아지며, 생산 효율성이 저하되는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1921580호 (2018.10.11 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 초광대역 주파수 대역의 신호를 선택적으로 차단, 통과시킬 수 있는 주파수선택표면을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 발명은, 주파수선택표면(Frequency Selective Surface)구조로서, 상기 주파수선택표면 구조는, 유전기판에 배열되어 초광대역(UWB) 차단특성을 갖는 정사각형 형태의 단위셀을 복수 개 포함하고, 상기 단위셀은, 중심부에 정사각형형태의 제1패턴 및 상기 제1패턴을 둘러싸는 네 개의 직사각형 형태의 제2패턴을 포함하고, 상기 제2패턴마다 전도성 카본 잉크(conductive carbon ink)로 구현된 저항소자패턴이 하나씩 대응되어 배치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 초광대역 주파수를 선택적으로 차단하는 주파수 선택 표면 구조를, 전도성 잉크를 찍어내는 스크린 프린팅 방식으로 구현할 수 있게 되어, 대량 생산이 가능하고 종래의 기술보다 상대적으로 더 저렴한 비용으로 구현이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 주파수 선택 표면구조를 가볍고 유연한 특성을 가진 매우 얇은 유전체층의 윗면에만 구현하여, 다양한 환경에 적용이 용이하다.

또한, 본 발명에 따라 구현된 주파수 선택표면 구조는, 주파수 선택표면 구조의 단위셀에 4개의 저항소자패턴을 추가하여, 다양한 입사파에 따라 안정적인 주파수 응답을 갖는다.

또한, 현대전쟁에서는 군사전략을 수행하기 위한 각종 군사장비가 적대국의 레이더 신호에 탐지되는 것을 최소화할 필요성이 있으며, 본 발명에 따른 주파수선택표면 구조가 군사장비에 적용된다면, 원치 않은 초광대역 레이더 신호(UWB RADAR signal)를 선택적으로 차단함으로써, 보안성을 확보하고, 군사장비가 다양한 환경에 적용되도록 할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 단위셀 패턴을 나타낸 도면을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 단위셀을 36개 배열한 구조의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 저항소자패턴의 유무에 따른 투과손실(transmission loss)결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 편파와 입사각도의 변화에 따른 투과손실 계산결과를 나타낸 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조를 제작한 외형을 나타낸 일 예를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 편파와 입사각도의 변화에 따른 투과 손실 측정 결과를 각각 나타낸다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시 예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시 예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징을 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 인쇄 회로 기판(PCB) 제작 방식이 아닌 전도성 잉크를 찍어내는 스크린 프린팅 제작 방식을 사용하여 얇고 가벼운 유전기판 위에 광대역 주파수 선택 표면 구조를 구현하여 원치 않은 UWB 레이더 신호를 차단하여 보안성을 확보하고, 다양한 환경에 적용이 가능하게 하는 것에 그 목적이 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 단위셀 패턴을 나타낸 도면을 도시한다.

본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조는 도 1에 도시된 단위셀(1)이 유전기판 위에 복수 개 배치되는 형태로 구현된다. 단위셀(1)은 중심부에 정사각형형태의 제1패턴 및 제1패턴을 둘러싸는 네 개의 직사각형 형태의 제2패턴을 포함한다.

단위셀(1)과 제1패턴은 모두 중심점이 동일한 정사각형 형태로, 보다 구체적으로, 단위셀의 한 변의 길이 L₁(102)인 16.4mm이고, 제1패턴의 한 변의 길이는 3.6mm이다. 제1패턴은 단위셀의 중심부에 위치하고, 정사각형 모양으로 구멍이 뚫린 패턴을 의미한다.

단위셀(1)은 유전기판 위에 복수 개 배치되는 방식을 통해, 주파수 선택표면 구조를 형성한다. 본 발명에서 유전기판은 0.2mm의 얇은 종이로 대체될 수 있다. 단위셀 단위로 유전기판을 설명하면, 유전기판은 한 변의 길이 P(101)는 17mm로서, 한 변의 길이가 16.4mm인 단위셀(1)을 포함하도록 구성된다.

도 1에서 제2패턴은 직사각형 형태의 패턴으로서 제1패턴을 일정한 간격을 두고 둘러싸고 있다. 제1패턴과 제2패턴간의 이격 거리는 1.8mm이다. 즉, 도 1에서 제1패턴과 제2패턴간의 이격거리는 제2패턴을 구성하는 네 개의 직사각형 형태 중에서 인접한 직사각형간의 최단거리 W₁(104)과 같다. 제2패턴을 구성하는 직사각형 간에 가장 먼 이격거리 L₂(103)은 7.2mm이다.

도 1의 단위셀(1)을 참조하면, 단위셀(1)의 제2패턴마다 저항소자패턴이 대응되어 배치된 것을 알 수 있다. 저항소자패턴의 가로 길이 W_R(105)는 1.5mm이고, 세로 길이 G도 1.5mm이다. 저항소자패턴은 전도성 카본 잉크(conductive carbon ink)로 구현될 수 있다. 도 1의 저항소자패턴은 다양한 각도로 입사하는 입사파의 변화에 따라 안정적인 주파수 응답을 갖기 위한 패턴으로 정의된다.

도 1에 도시된 단위셀(1)에서 저항소자패턴을 제외한 나머지 부분은 은 잉크(silver ink) 또는 구리 잉크(copper ink)를 이용한 스크린 프린팅(screen printing) 방식으로 구현될 수 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 단위셀(1)은 0.2mm의 얇은 종이를 유전기판으로 하여, 은 잉크 또는 구리 잉크로 기초로 스크린 프린팅 기법을 적용함으로써, 구현할 수 있다. 주파수 선택표면 구조의 단위셀은 일정한 선폭을 가진 정사각형 루프 구조 패턴이 외측에 배치되고, 그 내측에는 동일한 선폭을 가진 팬(FAN)형 루프 구조 패턴이 정사각형 루프 구조와 연결된 형상으로 구성된다.

도 2는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 단위셀을 36개 배열한 구조의 일 예를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 도 1에서 설명한 단위셀(1)이 6 * 6 구조 형태로 배열됨으로써, 주파수 선택표면 구조를 형성한 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 저항소자패턴의 유무에 따른 투과손실(transmission loss)결과를 그래프로 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 주파수 선택표면 구조의 편파(TE:Transverse Electric Field, TM:Transverse Magnetic Field)와 입사각도에 따라서, 저항소자패턴을 사용할 때와 사용하지 않았을 때가 극명하게 차이가 나는 것을 알 수 있다. 특히, 주파수 8GHz 주변에서 저항소자패턴을 사용하지 않은 경우(without Resistance), 본 발명에 따라 저항소자패턴을 사용한 경우(with Resistance)에 비해서 월등하게 안정적인 손실변화를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 편파와 입사각도의 변화에 따른 투과손실 계산결과를 나타낸 그래프를 도시한다.

도 4는 도 3과 다른 관점에서 그려진 그래프로서, 주파수 선택표면 구조에서 저항소자패턴의 유무에 따른 손실결과를 나타내는 것이 아니라, 동일한 주파수 선택표면 구조(본 발명에 따른)에서 구조 자체의 편파와, 레이더 신호의 입사각도의 변화에 따른 경향성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 대체적으로, 레이더 신호가 수직입사(normal incidence)할 때에는 주파수 8GHz 주변에서 가장 낮은 손실값을 보이고, 주파수 선택표면 구조의 편파정도 및 입사각에 따라서, 각각 다른 형태의 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조를 제작한 외형을 나타낸 일 예를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 초광대역 주파수 선택표면 구조는 총 100개(10*10)의 단위셀을 포함하고 있으며, 각각의 단위셀은 전도성 카본 잉크로 구현된 4개의 저항소자패턴을 포함하고 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 초광대역 주파수 선택표면 구조의 편파와 입사각도의 변화에 따른 투과 손실 측정 결과를 각각 나타낸다.

도 6 및 도 7은 도 4를 편파(TE, TM)를 기초로 하여, 두 개의 그래프로 각각 분리한 것으로서, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 주파수 선택표면 구조를 이용할 경우, 종래의 적층형 주파수 선택표면 구조가 갖는 협대성 특성도 사라지고, 입사파 변화에 따라 안정적인 주파수 응답이 구현될 수 있는 것을 알 수 있다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시 예는 컴퓨터상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.

한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

Claims

주파수선택표면(Frequency Selective Surface)구조로서,
상기 주파수선택표면 구조는,
유전기판에 배열되어 초광대역(UWB) 차단특성을 갖는 정사각형 형태의 단위셀을 복수 개 포함하고,
상기 단위셀은,
중심부에 정사각형형태의 제1패턴 및 상기 제1패턴을 둘러싸는 네 개의 직사각형 형태의 제2패턴을 포함하고,
상기 제2패턴마다 전도성 카본 잉크(conductive carbon ink)로 구현된 저항소자패턴이 하나씩 대응되어 배치된 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 유전기판은,
0.2mm 두께의 종이인 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 제1패턴을 구성하는 정사각형의 한 변의 길이가 3.6mm인 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 저항소자패턴은,
한 변의 길이가 1.5mm인 정사각형 형태인 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 저항소자패턴은,
상기 정사각형 형태의 단위셀의 모서리 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 단위셀은,
상기 저항소자패턴을 제외한 나머지 부분이 은 잉크(silver ink)를 통해 구현된 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 단위셀은,
상기 저항소자패턴을 제외한 나머지 부분이 구리 잉크(copper ink)를 통해 구현된 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 단위셀은,
한 변의 길이가 17mm인 정사각형 형태인 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 제1패턴, 상기 제2패턴 및 상기 저항소자패턴은,
스크린프린팅(screen printing) 방식으로 구현된 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.
제1항에 있어서,
상기 초광대역 차단특성은,
3.1GHz 내지 10.6GHz 주파수 대역의 신호를 선택적으로 차단하는 것을 특징으로 하는, 선택적으로 초광대역 레이더 신호를 차단하는 주파수선택표면구조.