본 논문에서는 CDMA/RFID 주파수 격리도 향상을 위해 double split ring resonator(DSRR)을 이용한 주파수 선택적 표면(FSS)을 설계하였다. 제안된 FSS의 단위 셀 구조는 외부 SRR과 내부 SRR로 구성되며, 이 두 SRR의 gap은 같은 방향에 위치한다. SRR의 gap 간격 및 line 두께 등을 조절하여 전체적인 크기를 유지하면서 공진 주파수 및 스커트 특성을 조절할 수 있다. 동작 주파수에서 제안된 SRR의 필드는 magneto-dielectric SRR과 다른 방향을 가진다. 한 층은 $9{\times}9$ 단위 셀로 구성되어 있으며, 50 mm 간격을 두고 다른 층이 위치해 있다. 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 패치 안테나 및 FSS를 제작했으며, 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보인다. 단위 셀의 저지 대역에서의 전기적 크기는 $0.110\;{\lambda}{\times}0.110\;{\lambda}{\times}0.002\;{\lambda}$로 다이폴 FSS에 비해 소형이며, 지지대를 포함한 2층 FSS의 크기는 $1.058\;{\lambda}{\times}1.058\;{\lambda}{\times}0.153\;{\lambda}$이다. 측정 결과 CDMA 대역의 이득이 유지되며, RFID 대역에서 6.9 dB 이득이 감소하였다.
본 논문에서는 CDMA/RFID 주파수 격리도 향상을 위해 double split ring resonator(DSRR)을 이용한 주파수 선택적 표면(FSS)을 설계하였다. 제안된 FSS의 단위 셀 구조는 외부 SRR과 내부 SRR로 구성되며, 이 두 SRR의 gap은 같은 방향에 위치한다. SRR의 gap 간격 및 line 두께 등을 조절하여 전체적인 크기를 유지하면서 공진 주파수 및 스커트 특성을 조절할 수 있다. 동작 주파수에서 제안된 SRR의 필드는 magneto-dielectric SRR과 다른 방향을 가진다. 한 층은 $9{\times}9$ 단위 셀로 구성되어 있으며, 50 mm 간격을 두고 다른 층이 위치해 있다. 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 패치 안테나 및 FSS를 제작했으며, 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보인다. 단위 셀의 저지 대역에서의 전기적 크기는 $0.110\;{\lambda}{\times}0.110\;{\lambda}{\times}0.002\;{\lambda}$로 다이폴 FSS에 비해 소형이며, 지지대를 포함한 2층 FSS의 크기는 $1.058\;{\lambda}{\times}1.058\;{\lambda}{\times}0.153\;{\lambda}$이다. 측정 결과 CDMA 대역의 이득이 유지되며, RFID 대역에서 6.9 dB 이득이 감소하였다.
We propose a frequency selective surface(FSS) using double split ring resonators(DSRRs) for isolation enhancement between CDMA and RFID. The structure consists of an outer SRR and an inner SRR, and the gaps are formed in the same direction. By properly adjusting the gap and line width, the resonant ...
We propose a frequency selective surface(FSS) using double split ring resonators(DSRRs) for isolation enhancement between CDMA and RFID. The structure consists of an outer SRR and an inner SRR, and the gaps are formed in the same direction. By properly adjusting the gap and line width, the resonant frequency and skirt characteristics can be adjusted without varying the unit cell size. The proposed structure has a different field distribution from that of an ordinary SRR for magneto-dielectric materials. One layer consists of $9{\times}9$ unit cells and the other layer was separated by 50 mm. To validate the simulation results, we fabricated the patch antenna and the FSSs, and the measured results show a good agreement with the simulated ones. The electrical size of the unit cell is $0.110\;{\lambda}{\times}0.110\;{\lambda}{\times}0.002\;{\lambda}$, and the size of the two layer FSS is $1.058\;{\lambda}{\times}1.058\;{\lambda}{\times}0.153\;{\lambda}$. The two layer FSS maintain gain in CDMA frequency and has 6.9 dB reduced gain in RFID frequency.
We propose a frequency selective surface(FSS) using double split ring resonators(DSRRs) for isolation enhancement between CDMA and RFID. The structure consists of an outer SRR and an inner SRR, and the gaps are formed in the same direction. By properly adjusting the gap and line width, the resonant frequency and skirt characteristics can be adjusted without varying the unit cell size. The proposed structure has a different field distribution from that of an ordinary SRR for magneto-dielectric materials. One layer consists of $9{\times}9$ unit cells and the other layer was separated by 50 mm. To validate the simulation results, we fabricated the patch antenna and the FSSs, and the measured results show a good agreement with the simulated ones. The electrical size of the unit cell is $0.110\;{\lambda}{\times}0.110\;{\lambda}{\times}0.002\;{\lambda}$, and the size of the two layer FSS is $1.058\;{\lambda}{\times}1.058\;{\lambda}{\times}0.153\;{\lambda}$. The two layer FSS maintain gain in CDMA frequency and has 6.9 dB reduced gain in RFID frequency.
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문제 정의
본 논문에서는 DSRR을 이용한 CDMA/RFID 주파수 선택적 표면을 제안하였다. 다이폴 FSS의 등가회로가 변형된 SRR FSS를 제안하였으며, 다이폴 FSS 에 비해 전기적인 크기 및 주파수 특성이 우수함을 확인하였다.
본 논문에서는 dipole FSS의 등가회로 모델을 변형하여 SRR을 이용한 FSS 구조를 제안하였다. II장에서는 제안된 SRR의 등가회로 구조 및 필드 분포에 대해 살펴보도록 한다.
II장에서는 제안된 SRR의 등가회로 구조 및 필드 분포에 대해 살펴보도록 한다. 이장에서는 기본 SRR 구조를 개선한 DSRR 구조 및 다층 구조에 대해서 살펴본다. IV장에서는 안테나와 FSS를 결합한 전체 시스템 특징을, ''/장에서는 제작 결과를 살펴보고, VI 장에서 결론을 맺기로 한다.
제안 방법
이 구조는 split ring resonator (SRR) 모양과 유사하므로 SRR FSS로 부르기로 한다. Dipole FSS와 SRR FSS를 비교하기 위해 각 단위셀을 시뮬레이션 하였다. 단위 셀 시뮬레이션을 위한 구조를 그림 4에 나타내었다.
않으며 단위 셀이 큰 편이다. Dipole FSS의 등가회로는 L, C 직렬 회로로 표현되며 등가회로를 변형해 가면서 스커트 특성을 비교해 보았다. 등가회로의 변형은 여러가지 형태가 있으나, 이 중에서 L 옆에 병렬로 C를 두는 것이 효과적임을 알 수 있었다(그림 2(a)).
다이폴 FSS의 등가회로가 변형된 SRR FSS를 제안하였으며, 다이폴 FSS 에 비해 전기적인 크기 및 주파수 특성이 우수함을 확인하였다. SRR FSS의 특성을 개선하기 위해 안쪽에 SRR이 추가된 DSRR FSS 및 다단 구조를 제안하였으며, 시뮬레이션을 통하여 적절한 단 사이 간격, 안테나와의 높이 등을 결정하였다. 단위 셀의 크기는 35 mmx35 mmxQ.
제안된 SRR의 스커트 특성을 개선하기 위하여 안쪽에 SRR을 추가한 double split ring resonator(DSRR) 구조를 제안하였다(그림 7). 안쪽에 SRR을 추가하면 바깥쪽 SRR과의 c叩acitively coupling으로 인하여 공진 주파수가 떨어지는 경향이 있으며, 파라미터를 조절하여 약간의 공진 주파수와 스커트 특성 조절이 가능하다.
패치 안테나는 CDMA 전 대역을 만족하기 위하여 L probe 급전을 이용하여 설계되었다回. 패치 안테나의 fringing field가 방사를 결정하므로 fringing field 방향과 SRR gap 방향이 일치하도록 구성하였다.
대상 데이터
SRR FSS의 특성을 개선하기 위해 안쪽에 SRR이 추가된 DSRR FSS 및 다단 구조를 제안하였으며, 시뮬레이션을 통하여 적절한 단 사이 간격, 안테나와의 높이 등을 결정하였다. 단위 셀의 크기는 35 mmx35 mmxQ.8 mm(0.110 A xO.HO A x0.002 人)로 소형이며, 2단 FSS의 크기는 345 mmx345 mm x50 mm(1.058 /lx 1.058 人xO.153 人)이다. 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였으며, 단일 패치 안테나에 비해 CDMA 대역에서는 0~0.
시뮬레이션 경계 조건을 perfect electric conductor(PEC), perfect magnetic conductor(PMC)로 두게 되면 평면파가 발생하며 단위 셀의 전송 특성을 분석할 수 있다. 단위 셀의 크기는 두 경우 모두 35 mmx35 mm><0.8 mm로 두었으며 기판은 FR4를 사용하였다. 시뮬레이션에서 단위셀의 경계 조건은 무한 주기 구조 형태이며, 평면파가 입사하게 된다.
이론/모형
Marginal Frequency(MF)는 价拥觇로 정의하였다. 시뮬레이션은 CST사의 MWS를 이용하였다.
성능/효과
力니00 mm 이상이면 Sil이 CDMA 대역에서 대부분 -10 dB 이하가 되는 것을 알 수 있다. 그리고 통과 대역의 이득이 패치 안테나만 있을 때보다 다소 증가하며, 920 MHz 대역의 이득이 -19 dB 정도로 상당히 감소하는 것을 알 수 있다. 공진이 가장 강하게 형성되는 저지대역에서, 패치 안테나에서 나온 전력의 일부는 FSS 의FR4 기판과 구리선에 의해 소모되고, 나머지 전력은 반사되어 빔이 다소 넓어지게 된다.
선택적 표면을 제안하였다. 다이폴 FSS의 등가회로가 변형된 SRR FSS를 제안하였으며, 다이폴 FSS 에 비해 전기적인 크기 및 주파수 특성이 우수함을 확인하였다. SRR FSS의 특성을 개선하기 위해 안쪽에 SRR이 추가된 DSRR FSS 및 다단 구조를 제안하였으며, 시뮬레이션을 통하여 적절한 단 사이 간격, 안테나와의 높이 등을 결정하였다.
등가회로의 변형은 여러가지 형태가 있으나, 이 중에서 L 옆에 병렬로 C를 두는 것이 효과적임을 알 수 있었다(그림 2
9 dB이며, RFID 대역 이득은 -4 dB가 나왔다. 따라서 2단 FSS를 사용하면 이득이 패치 안테나에 비해 CDMA 대역에서 0~0.5 dB 증가하며, RFID 대역에서 6.9 dB 감소하는 것을 알 수 있다. 시뮬레이션과 gain이 차이가 나는 이유는 제작상의 오차, FR4 유전율 오차 등에 기인한 것으로 판단된다.
안쪽에 SRR을 추가하면 바깥쪽 SRR과의 c叩acitively coupling으로 인하여 공진 주파수가 떨어지는 경향이 있으며, 파라미터를 조절하여 약간의 공진 주파수와 스커트 특성 조절이 가능하다. 시뮬레이션 결과7o=913 MHz, MF=67 MHz, Q=6.81 가 나왔다.
9 dB가 나왔다. 이에 비해 2단 FSS를 추가한 경우 CDMA 대역 이득이 7.2~7.9 dB이며, RFID 대역 이득은 -4 dB가 나왔다. 따라서 2단 FSS를 사용하면 이득이 패치 안테나에 비해 CDMA 대역에서 0~0.
153 人)이다. 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였으며, 단일 패치 안테나에 비해 CDMA 대역에서는 0~0.5 dB 이득이 증가하고 RFID 대역에서는 6.9 dB 이득이 감소하였다. 즉, FSS를 사용하더라도 CDMA 대역의 이득이 감소하지 않는 장점이 있다.
단, 수가 커지게 되면 전체적인 시스템의 크기가 커지게 되며, 이를고려할 필요성이 있다. 최종적으로 설계된 단위 셀구조의 크기는 35 mmx35 mmx0.8 mm(0.110/1x0.110 人x0.002 920 MHz)으로 전기적으로 소형이며, 7o=915 MHz에서 52i~-30 dB의 전송 특성을 얻을 수 있었다(그림 9).
후속연구
본 논문에서 DSRR FSS의 최적화는 완전히 이루어지지 않았으며, genetic algorithm(GA), particle swarm optimization(PSO) 등을 이용한 최적화가 이루어 진다면 좀 더 나은 통과 대역 및 저지 대역 특성을 얻을 것으로 판단된다. 제안한 구조는 한쪽 편파에 대해서만 FSS 특성을 얻을 수 있는데, 양쪽 편파에 대하여 FSS 특성을 얻을 수 있는 구조를 향후에 연구할 계획이다.
것으로 판단된다. 제안한 구조는 한쪽 편파에 대해서만 FSS 특성을 얻을 수 있는데, 양쪽 편파에 대하여 FSS 특성을 얻을 수 있는 구조를 향후에 연구할 계획이다.
참고문헌 (7)
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D. S. Lockyer, J. C. Vardaxoglou, and R. A Simpkin, "Complementary frequency selective surfaces", Microwaves, Antennas and Propagation, IEE Proceedings, vol. 147, issue 6, pp. 501-507, Dec. 2000.
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Amir Khurrum Rashid, Zhongxiang Shen, "A novel frequency selective surface with controllable bandwidth and steep rejection skirt", APS 2009, Jun. 2009.
김재희, 우대웅, 지정근, 김기호, 성원모, 박위상, "CDMA/RFID 격리도 향상을 위한 주파수 선택적 표면(FSS) 설계", 2009년 춘계 마이크로파 및 전파전파 학술대회, 한국전자파학회, 32(2), p. 173, 2009년 5월.
Hossein Mosalliaei, Kamal Sarabandi, "Magneto-dielectrics in electromagnetics: Concept and applications", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 52, no. 6, Jun. 2004.
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