KR20090060802A

KR20090060802A - 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기(ｆｓｓ) 구조

Info

Publication number: KR20090060802A
Application number: KR1020070127739A
Authority: KR
Inventors: 윤소현; 염인복; 이호진; 고지환
Original assignee: 한국전자통신연구원; 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-15
Also published as: US20100271285A1; WO2009075449A1; KR100959056B1; US8339330B2

Abstract

본 발명은 단위셀을 이중 루프로 구성하고, 각 루프가 꼬불꼬불한 형태를 갖도록 함으로써, 다중 주파수 대역에 대해 반사와 투과로 주파수를 필터링할 수 있고, 반사 주파수 간 이격이 비교적 좁은 경우에도 주파수를 분리할 있는 다중 주파수 대역용 FSS 구조에 관한 것으로, 루프를 포함하는 단위 셀들이 서로 일정 간격으로 배열된 주파수 선택 반사기(FSS) 구조에 있어서, 상기 단위셀은, 유전체 층과, 일정 폭을 가지면서 상기 유전체 층에 형성된 상기 루프를 포함하며, 상기 루프는 제1 루프와, 상기 제1 루프의 내측에 일정 간격 떨어져 형성된 제2 루프를 포함하되, 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는 적어도 일부분이 꼬불꼬불하게 형성된 것을 특징으로 한다.

주파수, 선택, 반사기, FSS, 구조, 루프, 이중, 다중, 단위셀

Description

다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기(ＦＳＳ) 구조{Frequency selective surface structure for multi frequency band}

본 발명은 다중주파수 대역용 주파수 선택 반사기(FSS: Frequency Selective Surface) 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FSS의 단위셀을 이중 루프로 구성하고, 각 루프가 꼬불꼬불한 형태를 갖도록 함으로써, 다중 주파수 대역에 대해 반사와 투과로 주파수를 필터링할 수 있고, 반사 주파수 간 이격이 비교적 좁은 경우에도 주파수를 분리할 있는 다중 주파수 대역용 FSS 구조에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-020-02, 과제명: 고속 이동체 인터넷 위성 무선 연동 기술 개발].

일반적으로 주파수 선택 반사기(FSS)는 일정 모양을 갖는 패턴을 주기적으로 배열하여 주파수 선택적인 특성을 가지도록 만든 평면 또는 표면을 의미한다. 주파수 선택 반사기(FSS)는 일정한 모양을 갖는 패턴의 모양, 크기, 길이, 폭 등과 같 은 기하 구조 및 유전체의 전기적 특성에 따라 임의의 주파수 대역을 투과 또는 차단시킬 수 있다. FSS에서 공간적으로 단일 주기에 해당하는 일정 모양의 구조를 일반적으로 단위셀(unit cell)이라 한다. FSS의 주파수 특성은 단위셀 내부 패턴의 모양, 기하 구조, 크기와 단위셀 사이의 간격 및 기타 유전재료들의 전기적 재질 등에 따라 크게 변화되는데, 원하는 주파수 특성을 얻고자 여러 가지 방법들이 연구되고 있다.

기존 FSS 구조는 중심이 연결된 막대구조(center connected structure)와, 루프 구조(loop structure) 등 다양한 구조들이 이용되어 왔다. 특히, 기하학적으로 단위셀을 구성하는 도형의 길이가 단위면적에 대하여 최대한 길어지도록 디자인하기 위해서, 루프의 모양이 복잡하게 구부러지면서도 서로 얽히지 않도록 하는 방안이 제시되기도 하였다. 이에 따라, 공간 활용도를 높이기 위해, 단위셀의 공간을 최대한 많이 활용할 수 있도록 하는 구조들이 제안되기도 하였다.

이와 같은 주파수 선택 반사기(FSS)는 주파수 대역을 분리할 수 있는 기능을 가지므로, 파라볼라 안테나에 적용되어 하나의 안테나 시스템으로 다중 대역을 수용할 수 있다. FSS가 없는 기존 안테나 시스템은 피드 혼에 의해 주파수 f1과 f2만 수용할 수 있지만, FSS를 구비한 안테나 시스템은 주파수 f1과 f2뿐만 아니라 주파수 f3과 f4를 추가로 수용할 수 있다.

일반적으로 널리 사용되는 FSS 단위 셀의 형태는 사각형, 원형, 사각 루프, 원형 루프 등이 있으며, 각 단위셀의 모양에 따라 주파수 응답 특성은 다르게 나타난다. 그런데, 기존에 사용되고 있는 FSS는 높은 주파수 대역과 낮은 주파수 대역 간에 비율이 적어도 1.5이상 되어야 주파수를 분리할 수 있고, 이보다 적은 비율인 경우에는 주파수 대역을 분리할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, FSS의 단위셀을 이중 루프로 구성하고, 각 루프가 꼬불꼬불한 형태를 갖도록 함으로써, 다중 주파수 대역에 대해 반사와 투과로 주파수를 필터링할 수 있고, 반사 주파수 간 이격이 비교적 좁은 경우에도 주파수 대역을 분리할 있는 다중 주파수 대역용 FSS 구조를 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, 루프를 포함하는 단위 셀들이 서로 일정 간격으로 배열된 주파수 선택 반사기(FSS) 구조에 있어서, 상기 단위셀은, 유전체 층과, 일정 폭을 가지면서 상기 유전체 층에 형성된 상기 루프를 포함하며, 상기 루프는 제1 루프와, 상기 제1 루프의 내측에 일정 간격 떨어져 형성된 제2 루 프를 포함하되, 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는 적어도 일부분이 꼬불꼬불하게 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 일정 폭의 도체 박막을 제거하여 슬롯 형태로 형성된다.

바람직하게는 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 상기 유전체 층에 형성된 도체 박막 중 상기 루프에 해당되는 부분만을 제외한 도체 박막을 제거하여 도체로 형성된다.

바람직하게는 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 사각형의 형상을 가지며, 네 변의 일부가 꼬불꼬불하게 형성된다.

바람직하게는 상기 유전체 층은 제1 유전체 층과, 상기 제1 유전체 층의 유전율과 다른 유전율을 갖는 제2 유전체 층으로 구성된다.

바람직하게는 단위셀의 크기는 기본파만 전파하고 산란 고조파를 생성하지 않도록 하기 위해, 복수의 주파수 중 가장 높은 주파수의 파장의 1/2보다 작은 값을 갖는다.

바람직하게는 상기 제1 루프와 제2 루프 간의 간격과, 각 루프의 폭과 각 루프의 변 길이와 각 루프를 꼬불꼬불하게 만드는 값에 의해 주파수의 반사 및 투과 특성이 조절된다.

상기와 같은 본 발명은, FSS의 단위셀을 이중 루프로 구성하고, 각 루프가 꼬불꼬불한 형태를 갖도록 구성함으로써, 다중 주파수 대역에 대해 필터링할 수 있고, 반사 주파수 간 이격이 비교적 좁은 경우에도 주파수 대역을 분리할 있으며, 전파가 입사되는 각도의 변화에도 민감하지 않으면서 주파수를 분리할 수 있는 효과가 있다.

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 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 주파수 대역을 위한 FSS 단위셀의 배열 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 다중 주파수 대역을 위한 FSS의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 다중 주파수 대역을 위한 FSS 단위셀의 상세 구조를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 FSS는 도 1에 도시된 바와 같이 기하학적으로 동일한 모양을 갖는 단위셀(10)들의 배열로 구성된다. 도 1에서 단위셀(10)은 사각형 형태의 외부 루프와 사각형 형태의 내부 루프로 구성되는 이중 루프로 구성되며, 외부 루프와 내부 루프는 일정 간격 떨어져 있으며, 외부 루프와 내부 루프는 모두 네 변이 꼬불꼬불한 형태를 갖는다.

도 2에 도시된 바와 같이, FSS는 임의의 유전율을 갖는 제1 유전체 층(21)과, 상기 제1 유전체 층(21)과는 다른 유전율을 가지며, 도체 박막(23)을 지지하기 위해 하니콤(honeycomb)이나 폼과 같은 유전체 층으로 구성되는 제2 유전체 층(22)과, 상기 제2 유전체 층(22) 상부에 부착되는 도체 박막(23)을 포함한다. 여기서, 도체 박막(23)의 일부를 제거하는 것에 의해 일정한 패턴을 갖는 루프가 형성된다. 즉, 루프에 해당되는 도체 박막만을 제거하여 루프가 슬롯 형태를 갖도록 할 수 있으며, 루프에 해당되는 도체 박막만을 남기고 나머지 부분을 제거하여 루프를 도체 형태로 할 수도 있다.

루프가 슬롯 형태로 구성되는 경우에는 낮은 주파수 대역은 전부 반사되고, 두 개의 높은 주파수 대역은 전부 투과된다. 반대로, 루프가 도체로 구성되는 경우에는 낮은 주파수 대역은 모두 투과되고, 두 개의 높은 주파수 대역은 전부 반사된다.

유전체 층은 FSS 도체 박막을 지지할 수 있게 하는 구조물이며, 가능한 두께를 작게 하여야 하고, 또한 손실이 적도록 유전체를 선택해야 한다. 이 유전체 층에 의해 공진 주파수가 이동될 수 있으며 유전체 층에 의해 공진 주파수는 낮아진다.

도 3은 본 발명에 따른 단위 셀의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, FSS의 단위 셀은 외부 루프(31)와 내부 루프(32) 를 포함하는 이중 루프 형태로 구성되고, 외부 루프(31)와 내부 루프(32)는 사각형 형태로 서로 대응되는 형태를 갖는다. 그리고, 내부 루프와 외부 루프의 네 변을 꼬불하게 만들어 루프의 전체 길이를 길게 조절할 수 있다. 도 3에서 외부 루프 및 내부 루프는 도체 박막을 에칭에 의해 제거한 슬롯 형태이고, 루프를 제외한 부분이 도체 박막으로 구성된다.

예를 들어, 주파수 f1(11.725GHz)이 대역폭 2.05GHz를 갖고, 주파수 f2(14.125GHz)가 대역폭 750MHz를 가지며, 주파수 f3(20.755GHz)가 대역폭 800MHz를 갖고, 주파수 f4(30.485GHz)가 대역폭 800MHz를 갖는다고 가정한다.

도 3에 도시된 FSS는 주파수 f1과 f2가 전부 반사되고 동시에 주파수 f3과 f4가 전부 투과된다. 이와 같이 주파수 대역을 분리하기 위해 반사되는 주파수 f1과 f2를 보면, 주파수 f1과 f2는 서로 근접해 있고 대역폭도 매우 넓어 공진 현상에 의해 반사시킬 수 없다. 이에 따라, 파장에 비해 루프 슬롯의 크기를 작게 구현하여 도체 박막에 의해 전파가 전부 반사되도록 해야 한다. 즉 주파수 f2 보다 낮은 대역의 주파수는 전부 반사되도록 루프 슬롯의 크기를 구현한다.

다음 투과되는 주파수 f3와 f4는 사각 슬롯 루프에 의해 공진되는 현상을 이용해 전파를 전부 투과하도록 해야 한다. 도 3에서 외곽 루프(31)는 주파수 f3을 공진시키고, 내부 루프(32)는 주파수 f4를 공진시키도록 구현할 수 있으며, 각각 루프 전체 길이는 공진 주파수의 파장과 관련된다.

이러한 슬롯 형태 루프의 특성을 이용하여 기존의 두 개의 정사각형 루프를 이용하는 경우 주파수 대역을 분리할 수 있지만, 정사각형 루프 구조는 반사 주파 수 f2와 투과 주파수 f3간에 비율이 1.5 이상인 경우에만 사용할 수 있고, 주파수 비율이 1.5 이하인 경우에는 주파수 f2와 주파수 f3 간에 간격이 너무 작아 주파수 대역을 분리할 수 없다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 사각형 루프의 네 변을 꼬불꼬불한 형태로 구성하여, 루프의 전체 길이를 길게 하면서 단위 셀의 크기를 작게 하ㄱ고 원형 편파에서도 동작될 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 단위셀의 크기인 한 주기 길이 P_x = P_y는 주파수 f4의 파장의 1/2보다 작게 함으로서, 기본파만 전파하고 산란 고조파들이 생성되지 않도록 해야 한다. 슬롯 형태 루프에서 외부 루프의 크기인 한 변의 길이 α₁는 주파수 f1과 f2가 손실 없이 전부 반사하도록 적절히 조절하여야 하며, 동시에 외부 루프의 네 변에 있는 꼬불한 부분인 b₁, g₁은 주파수 f3에서 공진되도록 루프 길이를 미세 조절한다. 내부 루프는 주파수 f4에서 공진되도록 길이 α₂를 먼저 조정하고, 꼬불한 부분인 b₂, g₂을 이용하여 미세 조절한다.

본 발명에 따른 FSS 구조에서 도 3에 도시된 단위셀의 구체적인 설계 치수를 나타내면 표 1과 같다. 여기서 유전체 층은 폼을 사용하였고, 폼은 전파에 주는 영향이 적으므로 생략하였다.

파라미터	P_x, P_y	α₁	α₂	λ₁	λ₂	w₁	w₂	g₁	g₂	b₁	b₂
길이(㎜)	5	3.6	2.6	0.7	0.4	0.1	0.1	0.6	1.2	0.4	0.4

표 1과 같이 설계된 FSS에 대해 계산된 성능 결과를 도 4 및 도 5에 제시하였다. 도 4는 주파수에 따른 반사 손실을 나타낸 것이다. 도 4에서 주파수 f1과 f2는 약 0.8dB 이내로 입사되는 전파 거의 모두가 반사됨을 알 수 있다. 도 4를 참조하면, 20GHz대인 주파수 f3와 30GHz대인 f4는 반사손실이 매우 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 입사파가 반사되지 않고 전부 투과함을 의미한다.

도 5는 투과 손실을 나타낸 것으로, 이는 입사파가 FSS를 통과할 때 손실을 보여주는 것이다. 도 5를 참조하면, 주파수 f3와 f4는 거의 0dB로 손실 없이 전부 투과함을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 반사하고자 하는 주파수 대역폭이 매우 넓고, 투과하고자 하는 주파수 대역이 2개이면서 반사 주파수와 투과 주파수간에 간격이 비교적 좁은 경우에 본 발명에 따른 FSS 구조는 반사와 투과로 주파수 대역을 분리할 수 있다.

이상에서 설명한 FSS 구조는 루프가 슬롯 형태인 구조에 대하여 기술하였으나, 반대로 루프가 도체인 구조에서 전파의 주파수 응답 특성은 도 4 및 도 5에서 나타낸 반사와 투과 특성의 반대를 갖는다. 즉 20GHz대인 f3와 30GHz대인 f4는 전부 반사하고, 보다 낮은 주파수인 f1과 f2는 전부 투과한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.

도 1은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기(FSS)의 전체 구조를 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기(FSS)의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기(FSS)의 단위셀 상세 구조도,

도 4는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기(FSS)의 반사 손실을 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기(FSS)의 투과 손실을 나타낸 그프이다.

Claims

루프를 포함하는 단위 셀들이 서로 일정 간격으로 배열된 주파수 선택 반사기(FSS) 구조에 있어서,

상기 단위셀은,

유전체 층과, 일정 폭을 가지면서 상기 유전체 층에 형성된 상기 루프를 포함하며,

상기 루프는 제1 루프와, 상기 제1 루프의 내측에 일정 간격 떨어져 형성된 제2 루프를 포함하되,

상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는 적어도 일부분이 꼬불꼬불하게 형성된 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 일정 폭의 도체 박막을 제거하여 슬롯 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 상기 유전체 층에 형성된 도체 박막 중 상기 루프에 해당되는 부분만을 제외한 도체 박막을 제거하여 도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 루프 및 상기 제2 루프는, 사각형의 형상을 가지며, 네 변의 일부를 꼬불꼬불하게 형성한 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 유전체 층은 제1 유전체 층과, 상기 제1 유전체 층의 유전율과 다른 유전율을 갖는 제2 유전체 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 2 항에 있어서,

기본파만 전파하고 산란 고조파를 생성하지 않도록 하기 위해, 상기 단위셀의 크기는 복수의 주파수 중 가장 높은 주파수의 파장의 1/2보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 루프와 제2 루프 간의 간격과, 각 루프의 폭과 각 루프의 변 길이와 각 루프를 꼬불꼬불하게 만드는 값에 의해 주파수의 반사 및 투과 특성이 조절되는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 대역용 주파수 선택 반사기 구조.