[논문]광대역 특성을 가지는 SIW 주파수 선택 표면 설계

오세명; 이한준; 이길영

doi:10.5302/j.icros.2014.13.9001

[국내논문] 광대역 특성을 가지는 SIW 주파수 선택 표면 설계
Design of a Wideband Substrate-Integrated Waveguide (SIW) Frequency Selective Surface 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.2, 2014년, pp.107 - 111

오세명 (공군사관학교 전자공학과) , 이한준 (공군사관학교 전자공학과) , 이길영 (공군사관학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An SIW cavity is a useful tool to design an FSS which shows a rapid roll-off rate and insensitivity to polarizations and incident angles of electromagnetic waves. However, due to its high Q-factor, the FSS also shows narrow bandwidth which is undesirable for high-capacity communication. To address this drawback, we propose a novel technique to enhance the bandwidth while maintaining similar frequency response characteristics and minimizing the increase of the overall thickness of the SIW cavity FSS. In order to verify the performance of the technique, simulated frequency responses will be provided. Also, a parameter which affects the bandwidth will be studied. Finally the stability to polarizations and incident angles will be observed through the simulated results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

서론에 이어 제 II 장에서는 SIW cavity FSS의 대역폭을 개선하기 위한 구조물의 설계 방법과 동작원리를 다루었으며 또한 주파수 응답을 통해 성능 개선을 검증하였다. 그뿐만 아니라 편파 및 입사각에 대한 성능의 안정성도 살펴보았다. 마지막으로 제 III 장에서는 제안한 방식에 대한 평가와 결론을 맺었다.
본 논문에서는 SIW cavity FSS의 통과대역폭을 대용량 통신에 적합하도록 개선시키는 기법을 연구하였다. 기존 SIW cavity FSS 구조에 양 외곽층에 적절히 설계된 정사각형 patch 층을 배치함으로써 3-dB 대역폭을 1.
본 논문에서는 가파른 롤오프율, 낮은 내부 손실, 입사각과 입사편파에 대한 높은 안정성을 유지한 체 SIW cavity FSS의 대역폭을 개선시킬 수 있는 기술을 제안하였다. 제안된 기술이 전반적으로 간단하고 FSS의 두께를 미약하게 증가시켰음에도 불구하고 대역폭은 두드러지게 증가되었다.
내부에 위치한 금속 층들은 십자가 형태의 슬롯이 새겨져 있는 접지면(ground plane)으로 서로 중공원통(hollow cylinder)들로 연결되어 있으며, 접지면 사이에 끼여있는 유전기판과 함께 SIW cavity FSS를 구성하고 있다. 본 논문에서는 이러한 SIW cavity FSS의 통과 대역폭을 증가시키기 위해 해당 구조물의 바깥쪽 양면에 여러 개의 정사각형 패치로 이루어진 금속 층들을 유전기판과 함께 적층하였다. 정사각형 조각들은 단위 셀의 크기(p_u × (p_u)보다 작은 제한된 경계면 내(D_s × D_s)에서 균일하게 분포되어 있으며 각각의 조각 사이에는 w_g의 너비를 가지는 미세한 틈이 존재한다.

제안 방법

서론에 이어 제 II 장에서는 SIW cavity FSS의 대역폭을 개선하기 위한 구조물의 설계 방법과 동작원리를 다루었으며 또한 주파수 응답을 통해 성능 개선을 검증하였다. 그뿐만 아니라 편파 및 입사각에 대한 성능의 안정성도 살펴보았다.
하지만 SIW cavity FSS의 소형화는 그 구조 자체의 복잡함으로 인해 난해하므로 본 논문에서는 대역폭과 동작주파수를 증가시켰다. 이를 위해서 다음의 식들과 같이 c_p의 감소를 통해 추가된 병렬 공진기의 Q-factor 값과 동작주파수를 줄였다. L_w는 병렬 공진기의 인덕턴스 성분을 나타낸다.
그림 1. 제안된 광대역 SIW cavity FSS의 구조.
이러한 이중 대역을 이용하여 폭이 넓은 단일대역을 이루기 위해서는 소형화[17]를 통해 SIW cavity FSS의 대역 주파수를 추가 통과대역의 주변으로 내리거나 혹은 반대로 추가 통과대역의 대역폭과 동작주파수를 증가시켜 SIW cavity FSS의 통과대역과 유도결합이 쉽게 이루어 질 수 있도록 하여야 한다. 하지만 SIW cavity FSS의 소형화는 그 구조 자체의 복잡함으로 인해 난해하므로 본 논문에서는 대역폭과 동작주파수를 증가시켰다. 이를 위해서 다음의 식들과 같이 c_p의 감소를 통해 추가된 병렬 공진기의 Q-factor 값과 동작주파수를 줄였다.

데이터처리

그림 2는 SIW cavity FSS의 주파수 응답을 나타내고 있으며 그림 3은 해당 구조물의 전기장 분포를 보여주고 있다. 이 결과들은 상용 전자기 수치해석 프로그램인 CST MWS (Microwave Studio)를 이용하여 산출되었다. 주어진 주파수 응답에는 결합된 2개의 공진점들과 하나의 트랜스미션널이 존재하며 이들은 롤오프율이 높고 경계가 명확한 통과 대역을 구성하고 있다.

성능/효과

본 논문에서는 SIW cavity FSS의 통과대역폭을 대용량 통신에 적합하도록 개선시키는 기법을 연구하였다. 기존 SIW cavity FSS 구조에 양 외곽층에 적절히 설계된 정사각형 patch 층을 배치함으로써 3-dB 대역폭을 1.8 GHz에서 4.6 GHz로 255 % 증가시킨 반면에, 전체 두께는 오직 0.117λ₀만 증가하였다. 여기서 λ₀는 SIW cavity FSS 통과대역의 중심주파수(16.
또한 우수한 대역폭 성능 개선에도 불구하고 전체 두께는 0.177λ0정도만 증가하였다.
이러한 대역폭 개선 효과는 정사각형 patch층의 커패시턴스 성분과 접지면의 인덕턴스 성분의 병렬 배열로부터 기인한 추가 공진과 커패시턴스 감소를 통한 추가 공진의 대역폭 증가와 주파수 이동에 의해 가능하였다. 또한 커패시턴스 감소를 위해서는 patch의 개수와 patch 사이의 너비를 증가시켜야 한다는 것을 매개변수 연구를 통해 확인하였고 그 결과를 이용해 제안된 구조에서는 단위셀당 총 16개의 금속 patch를 0.5 mm 간격을 유지한 채 배열하였다. 추가적으로 편파 및 입사각에 대한 안정성을 살펴보았으며 TE 모드에서는 입사각 30°도까지 안정적으로 동작을 하는 것을 확인하였다.
가 1, 4, 9, 16일 때의 주파수 응답을 시뮬레이션을 통해 계산하였으며 그 결과를 그림 6에 나타내고 있다. 예상한 것과 같이 n_p가 증가함에 따라 추가적인 대역폭의 증가와 공진 주파수 상향으로 기존의 대역과 점점 결합되어가고 있는 것을 알 수 있으며 그림을 통해 n_p가 16일 때 두 대역이 안정적으로 결합하여 원하는 단일 대역이 얻어진다는 것 또한 알 수 있다. 이뿐만 아니라 그림 7에서 W_g가 증 가함에 따라 변화하는 주파수 응답을 살펴봄으로써 위에서 제공된 식이 유효하다는 것을 재확인할 수 있다.
본 논문에서는 가파른 롤오프율, 낮은 내부 손실, 입사각과 입사편파에 대한 높은 안정성을 유지한 체 SIW cavity FSS의 대역폭을 개선시킬 수 있는 기술을 제안하였다. 제안된 기술이 전반적으로 간단하고 FSS의 두께를 미약하게 증가시켰음에도 불구하고 대역폭은 두드러지게 증가되었다.
5 mm 간격을 유지한 채 배열하였다. 추가적으로 편파 및 입사각에 대한 안정성을 살펴보았으며 TE 모드에서는 입사각 30°도까지 안정적으로 동작을 하는 것을 확인하였다. 하지만 TM 모드의 경우 30°에서 안정성이 현저히 떨어지는 것으로 확인되어 이러한 문제점을 해결할 방안이 추가적으로 연구되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

제안된 기법에 의한 대역폭 개선 효과를 살펴보기 전 SIW cavity FSS의 주파수 응답과 동작원리를 먼저 살펴볼 필요가 있다. 그림 2는 SIW cavity FSS의 주파수 응답을 나타내고 있으며 그림 3은 해당 구조물의 전기장 분포를 보여주고 있다.
추가적으로 정사각형 patch층이 위치하는 유전기판들의 두께가 증가함에 따라 제안된 광대역 FSS의 주파수 응답이 어떻게 변화하는지 살펴볼 필요도 있다. 그림 8은 0.
추가적으로 편파 및 입사각에 대한 안정성을 살펴보았으며 TE 모드에서는 입사각 30°도까지 안정적으로 동작을 하는 것을 확인하였다. 하지만 TM 모드의 경우 30°에서 안정성이 현저히 떨어지는 것으로 확인되어 이러한 문제점을 해결할 방안이 추가적으로 연구되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FSS의 용도는?	오늘날에 이르러 저잡음 및 고속 데이터 전송이 가능한 대용량 무선통신의 수요가 증가함에 따라 높은 롤오프율(rapid roll-off rate), 저손실성(low loss), 광대역성(wide bandwidth) 및 높은 안정성(high stability)을 갖는 필터 등의 통신부품 개발이 활발히 진행되고 있으며[1,2] 이러한 추세에 힘입어 주파수 선택적 표면(FSS: Frequency Selective Surface) 또한 광범위하게 연구되고 있다. FSS는 마이크로파 및 밀리미터파용 공간필터 혹은 물리적인 보호 장치로서 사용되고 있으며, 대역통과 및 대역저지 필터로 동작하기 위해서 일반적으로 다이폴 및 슬롯 등과 같은 금속성 공진형 구조물이 주기적으로 배열되어 있다[3-9]. 이러한 공진형 구조물로 이루어진 FSS는 분석과 제작이 쉽다는 장점이 있는 반면에 개방형 구조로 인하여 낮은 롤오프율과 높은 내부 손실을 가지며 또한 입사각과 입사편파에 민감하다는 단점 또한 가지고 있다.
	SIW cavity의 단점은?	[12-14]의 연구결과에서 볼 수 있듯이 SIW cavity를 FSS의 단위셀로 이용할 경우 매우 가파른 롤오프율과 불필요한 공진(spurious resonance)이 없는 명확한 주파수 응답을 얻을 수 있다. 하지만 높은 Q-factor에 의한 좁은 대역폭에 의해 대용량 통신에는 부적합하다는 단점을 가지고 있다.
	FSS의 장단점은 무엇인가?	FSS는 마이크로파 및 밀리미터파용 공간필터 혹은 물리적인 보호 장치로서 사용되고 있으며, 대역통과 및 대역저지 필터로 동작하기 위해서 일반적으로 다이폴 및 슬롯 등과 같은 금속성 공진형 구조물이 주기적으로 배열되어 있다[3-9]. 이러한 공진형 구조물로 이루어진 FSS는 분석과 제작이 쉽다는 장점이 있는 반면에 개방형 구조로 인하여 낮은 롤오프율과 높은 내부 손실을 가지며 또한 입사각과 입사편파에 민감하다는 단점 또한 가지고 있다.

참고문헌 (20)

S. M. Seong, "A cooperative navigation for UAVs with inertial sensors and passive sensor using wireless communication," Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems (in Korean), vol. 19, no. 2, pp. 80-176, Feb. 2013.
D. W. Lim, H. H. Choi, M. B. Heo, and S. J. Lee, "A model-based multipath estimation techniques for GPS receivers," Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems (in Korean), vol. 18, no. 4, pp. 295-399, Apr. 2012.

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B. A. Munk, Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, Wiley-Interscience, 2000.
H. M. Lee and Y. J. Kim, "Double-layered frequency selective surface superstrate using ring slot and dipole-shaped unit cell structure," J. Electromagn. Eng. Sci., vol. 10, no. 3, pp. 86-91, Sep. 2012.
G. A. E. Crone, A. W. Rudge, and G. N. Taylor, "Design and performance of airborne radomes: a review," Proc. of IEE Pt. F, vol. 128, no. 7, pp. 451-464, Dec. 1981.
M. Gustafsson, A. Karlson, A. P. Rebelo, and B. Widenberg, "Design of frequency selective windows for improved indoor outdoor communication," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, pp. 1987-1900, Jun. 2006.
G. Yang, T. Zhang, W. Li, and Q. Wu, "A novel stable miniaturized frequency selective surface," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 9, pp. 1018-1021, Nov. 2010.

상세보기
H. Kiu, K. L. Ford, and R. J. Langley, "Miniaturized bandpass frequency selective surface with lumped components," IET Elec. Lett., vol. 44, pp. 1054-1055, Aug. 2008.

상세보기
W. T. Wang, P. F. Zhang, S. X. Gong, B. Lu, J. Ling, and T. T. Wang, "Compact angularly stable frequency selective surface using hexagonal fractal configurations," Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 41, no. 11, pp. 2541-2544, Nov. 2009.
D. Deslandes and K. Wu, "Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide filters," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 51, no. 2, pp. Feb. 2003.
Y. L. Zhang, W. Hong, K. Wu, J. X. Chen, and H. J. Tang, "Novel substrate integrated waveguide cavity filter with defected ground structure," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 53, no. 4, Apr. 2005.
G. Q. Luo, W. Hong, Z.-C. Hao, B. Liu, W. D. Li, J. X. Chen, H. X. Z, and K. Wu, "Theory and experiment of novel frequency selective surface based on substrate integrated waveguide technology," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 12, pp. 4035-4043, Dec. 2005.

상세보기
S. A. Winkler, W. Hong, M. Bozzi, and K. Wu, "Polarization rotating frequency selective surface based on substrate integrated waveguide technology," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 4, pp. 1202-1213, Apr. 2010.

상세보기
G. Q. Luo, W. Hong, H. J. Tang, and K. Wu, "High performace frequency selective surface using cascading substrate integrated waveguide cavities," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 16, no. 12, pp. 648-650, Dec. 2006.

상세보기
M. Salehi and N. Behdad, "A second-order dual X-/Ka-band frequency selective surface," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 18, no. 12, pp. 785-787, Dec. 2008.

상세보기
M. A. Al-Joumayly and N. Behdad, "Low-profile, highly-selective, dual-band frequency selective surfaces with closely spaced bands of operation," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 12, pp. 4042-4050, Dec. 2010.

상세보기
R. Azadegan and K. Sarabandi, "Bandwidth enhancement of miniaturized slot antennas using folded, complementary, and self-complementary realizations," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 9, pp. 2435-2444, Sep. 2007.

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K. Sarabandi and N. Behdad, "A frequency selective surface with miniaturized elements," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 5, pp. 1239-1245, May 2007.

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M. A. Al-Joumayly and N. Behdad N, "Generalized method for synthesizing low-profile band-pass frequency selective surfaces with non-resonant constituting elements," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 12, pp. 4033-4041, Dec. 2010.

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N. Marcuvitz, Waveguide Handbook, Boston Technical Publishers, 1964.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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