[논문]페이즈필드 설계법을 이용한 다중 유전체 구조의 RF 콜리메이터 설계

고주현; 성홍경; 김한민; 박진우; 유정훈

doi:10.7734/coseik.2018.31.1.47

초록
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본 연구에서는 페이즈필드 설계법을 통한 다중 유전체로 구성된 콜리메이터 구조를 설계하였다. 제작 가능성을 고려하여 폴리프로필렌과 파라핀을 유전체 재질로 선정하였고, 측정영역의 전기장의 세기의 면적분으로 계산하여 이를 최대화하는 것으로 설계의 목적 함수를 설정하였다. 두 가지 유전체 재질을 이용하여 설계영역 내의 중공영역이 배제된 구조를 도출하였으며 컷오프를 통해 최종 형상을 모델링하였다. 수치해석을 통하여 설계된 다중 유전체 구조의 콜리메이터를 이용하는 경우 자유공간 내의 원형 전자기파 대비 측정영역에서 105%의 전기장 세기가 증가된 평행파를 생성하는 콜리메이터의 성능을 확인하였다. 설계된 모델의 수치해석을 통하여 콜리메이터의 역변환 가능성과 구조적 내구성의 증가를 확인하였고, X밴드 대역 전체에서의 성능을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a collimator composed of multi-dielectric structures is designed using the phase field design method, a kind of topology optimization methods. It is also purposed to improve the mechanical-structural performance of a collimator by replacing previously used air regions with another die...

In this study, a collimator composed of multi-dielectric structures is designed using the phase field design method, a kind of topology optimization methods. It is also purposed to improve the mechanical-structural performance of a collimator by replacing previously used air regions with another dielectric material. Polypropylene and paraffin are selected as the dielectric materials for the design process taking manufacturability into account. The design objective is formulated by integrating the intensity of the electromagnetic field in the pre-determined target area to realize the collimating performance. The model for accurate numerical analysis was derived from the final result obtained from the design process through the simple cut-off method and it shows the improved performance of 105% compared with the free space wave propagation. For the designed model, the possibility of reverse transformation, the mechanical durability evaluation under the compression load, and the electromagnetic performance in the X-band range were also evaluated.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 페이즈필드 설계법을 통해 X밴드 대역의 10GHz에서 작동하는 다중 유전체 구조의 콜리메이터 설계를 제시하고자 하였다. 또한 위상최적화 설계 결과에서 나타나는 중공(void)영역을 유전율이 낮은 다른 유전체로 대체함으로써 구조적인 취약성을 극복하는 방법을 제시하고자 한다. 설계된 구조를 바탕으로 최종 형상을 단순한 컷오프(cut-off) 방법을 통해 도출하고, 그 성능을 수치 해석적 방법을 통해 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 페이즈필드 설계법을 이용한 다중 유전체 구조의 RF 콜리메이터 설계를 수행하였다. 설계된 구조의 수치 해석을 통하여 목표 영역으로 파동을 효과적으로 집중시킴으로써 콜리메이터로써 효과적인 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 페이즈필드 설계법을 통해 X밴드 대역의 10GHz에서 작동하는 다중 유전체 구조의 콜리메이터 설계를 제시하고자 하였다. 또한 위상최적화 설계 결과에서 나타나는 중공(void)영역을 유전율이 낮은 다른 유전체로 대체함으로써 구조적인 취약성을 극복하는 방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

또한 위상최적화 설계 결과에서 나타나는 중공(void)영역을 유전율이 낮은 다른 유전체로 대체함으로써 구조적인 취약성을 극복하는 방법을 제시하고자 한다. 설계된 구조를 바탕으로 최종 형상을 단순한 컷오프(cut-off) 방법을 통해 도출하고, 그 성능을 수치 해석적 방법을 통해 검증하고자 하였다.
페이즈필드 설계법을 통해 얻은 결과는 물질 간 경계에 회색 밀도가 존재하므로 이를 Φ=0.5의 등위면을 따라 컷오프(cut-off)를 진행하였다. Fig.

대상 데이터

상대유전율 ε_r은 Φ=0인 경우 유전체 1의 유전율(ε_die1)을, Φ=1에서 유전체 2의 유전율(ε_die2)을 가지게 된다. 제작 가능성을 고려하여 선정된 유전체는 폴리프로필렌(PP)과 파라핀(paraffin)으로 각각의 상대 유전율은 2.93-0.032i와 2.21-0.005i이다.

데이터처리

국소 최적값으로의 도출을 피하기 위하여 체적 제약조건은 부여되지 않았다. 최적화 과정은 COMSOL 모듈과 Matlab 프로그래밍을 이용하여 수행되었다.

이론/모형

본 연구에서는 COMSOL Multiphysics 상용 패키지를 이용하여 전자기파 해석을 수행하였으며 TE(transverse electric) 모드의 지배방정식은 다음과 같이 정의된다.

성능/효과

또한 유전율에서의 손실항(loss term)의 영향으로 완벽히 대칭적인 전기장 분포를 보여주지 않고 있다. 그러나 이러한 해석 결과는 설계된 콜리메이터의 구조는 평행파를 원형파로 변환시키는 역변환이 가능함을 보여주고 있다.
포트에서 발생된 파동은 아래쪽의 콜리메이터에 의해 집중 파동으로 변환되며 대칭시킨 콜리메이터에 의해 반사와 투과가 동시에 진행되었다. 따라서 두 번째 콜리메이터에 의하여 반사된 전자기파에 의해 가운데 영역은 보강-상쇄가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 투과된 파는 다시 원형 파동의 형태로 변환되어 파동의 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 역변환 콜리메이터로부터 43mm 거리에서 최대 세기를 가지며 이는 원래의 포트와 콜리메이터의 거리인 60mm 보다 짧은 것으로 이러한 거리의 차이는 두 번째 콜리메이터를 통해 전자기파의 일부가 산란됨에 기인한다.
본 연구에서는 페이즈필드 설계법을 이용한 다중 유전체 구조의 RF 콜리메이터 설계를 수행하였다. 설계된 구조의 수치 해석을 통하여 목표 영역으로 파동을 효과적으로 집중시킴으로써 콜리메이터로써 효과적인 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 폴리프로필렌과 파라핀을 이용한 다중 유전체를 이용하여 설계영역 내의 중공영역을 제거함으로써 기계적 내구성의 향상을 추구하였다.
그래프에서는 10GHz에서 콜리메이터가 없을 때의 세기를 1로 하여 해석의 결과를 정규화하여 나타내었다. 설계된 콜리메이터는 목표 주파수인 10GHz에서 2.05배의 가장 높은 전기장 세기를 가짐을 확인할 수 있으며 9GHz에서는 오히려 자유공간대비 낮은 세기를 보여주고 있다. 8~9.

후속연구

43의 전기장 세기 증대의 효과를 확인할 수 있다. 따라서 X밴드 주파주 범위에서 균일한 성능을 얻기 위해서는 이를 고려한 설계 방법의 적용이 필요함을 확인할 수 있다.
폴리프로필렌과 파라핀을 이용한 다중 유전체를 이용하여 설계영역 내의 중공영역을 제거함으로써 기계적 내구성의 향상을 추구하였다. 현재의 연구 결과는 목표 주파수에서는 만족스러운 성능을 보여주고 있으나, X밴드 대역과 같은 광대역에서의 성능을 만족할 수 있는 추가적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콜리메이터란?	RF(radio frequency) 또는 마이크로파(microwave) 대역의 콜리메이터(collimator)는 전자기파를 진행방향으로 평행하게 변환시키는 장치로 마이크로파 및 광학 기술을 이용한 다양한 장치에 적용되고 있다. 대부분의 전자기파는 원형 파동 형태로 발생되기 때문에 콜리메이터를 통해 거리에 따른 에너지 손실을 최소화하는 것이 가능하다.
	위상최적설계의 단점은?	, 2016). 그러나 위상최적설계를 이용한 전자기 내의 구조 설계의 결과는 복잡한 형상이나 섬(island) 구조를 나타내고 있어 실제적인 구현에 어려움이 있다. 또한 공기영역이 존재하는 경우 복잡한 형상과 맞물려 구조적인 취약성을 나타낼 수 있다.

참고문헌 (11)

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