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부분반사표면(PRS)을 이용한 Fabry-Perot(FP) 공진 안테나의 설계 방법 및 기술 동향 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.2, 2018년, pp.42 - 55  

김동호 (세종대학교) ,  이석민 (세종대학교) ,  남인중 (세종대학교)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • PRS나 FSS는 그 자체가 공간 필터로 사용되어 특정한 주파수나 편파 등을 필터링하는 용도로도 많이 활용되나, 본 논문에서는 안테나의 성능 개선을 위한 설계 방법과 응용 사례에 국한하여 기술하고자 한다[1],[2]. 
  • 본 논문에서는 PRS를 덮개부로 갖는 FP 공진 안테나의 일반적인 설계 방법과 다양한 성능 향상 방법에 대하여 살펴보았다. 일반적인 배열 안테나와는 차별적으로 FP 공진 안테나는 매우 간단한 급전 구조와 매우 적은 수의 급전 안테나만으로도 높은 이득을 얻는 것이 가능하다.
  • 한편, FP 공진 안테나의 대표적인 단점으로는 좁은 임피던스 및 복사 대역폭을 들 수 있는데, 이는 FP 공진기의 공진 조건이 단일 주파수에서만 만족되기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 PRS를 활용한 FP 공진 안테나에 대한 기본적 설계 방법으로부터 시작하여 그간의 다양한 연구 결과들에 대하여 정리하고자 한다.
  • 이와 같이 안테나가 너무 커지는 문제점을 극복하기 위해 안테나 이득은 어느 정도 높게 유지하면서 FP 공진 안테나의 면적을 줄이는 많은 연구들이 진행되었다. 본 절에서는 안테나의 면적 대비 안테나 이득의 효율 지표인 개구부 효율을 개선한 FP 공진 안테나들의 설계 방법에 대해 살펴본다
  • PRS 안테나의 소형화를 위해서는 안테나의 면적을 줄이거나, 높이를 낮추는 두 가지 방법에 대해서 고려해 볼 수 있다. 본 절에서는 이러한 소형화 방법에 대해 살펴보고자 한다.
  • 앞서 3-1절에서 살펴본 방법은 PRS의 반사위상이 이상적인 FP 공진 위상과 일치하도록 셀을 설계하는 것으로 복사 대역폭은 어느 정도 확장이 가능하였지만, 인위적인 LC 공진의 유도로 인해 PRS 반사계수의 크기가 감소하는 것을 막을 수 없는 단점이 있었다. 본장에서는 3-1절의 방법과는 차별적으로 FP 공진 안테나의 위치마다 조금씩 다른 주파수에서 식 (3) 또는 식 (5)를 만족하도록 설계함으로써 복사 대역폭을 넓히는 방법에 대하여 설명하고자 한다
  • 지금까지는 PRS 덮개부가 접지면과 함께 FP 공진기를 구성하여 안테나 이득 대역폭을 넓히는 방법들에 대하여 살펴보았다. 하지만 안테나 성능 향상을 위해 PRS 덮개부가 반드시 접지면과 함께 FP 공진기를 구성할 필요는 없다.

가설 설정

  • 참고문헌 [8]에서는 이미지 정리를 이용하여 [그림 4]와 같이 가상적으로 FP 공진기를 구성하고, 그 공진 특성을 예측하는 방법을 제안하였다. 접지면이 파장에 비해 매우 클 경우, 접지면을 기준으로 대칭인 이미지 PRS 덮개부를 가정할 수 있다. 이러한 이미지 PRS는 원래의 PRS와 함께 가상의 FP 공진기 구조를 생성하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PRS란? PRS (partially reflective surface)는 입사 각도, 입사 편파 및 사용 주파수에 따라 그 반사특성이 변화하는 표면 또는 구조체를 의미하며, 주파수 선택적 표면 (frequency selective surface: FSS)으로 불리기도 한다[1]. 
PRS는 어디에 활용되는가? PRS나 FSS는 그 자체가 공간 필터로 사용되어 특정한 주파수나 편파 등을 필터링하는 용도로도 많이 활용되나, 본 논문에서는 안테나의 성능 개선을 위한 설계 방법과 응용 사례에 국한하여 기술하고자 한다[1],[2]. 
FP (Fabry-Perot) 공진기의 가장 큰 장점은 무엇인가? PRS를 안테나의 덮개부로 갖는 FP 공진 안테나가 FP 공진 조건을 만족하면, PRS 면에 수직인 방향에서([그림 1]에서 z 방향) 매우 높은 이득을 얻을 수 있다. 이러한 FP 공진 안테나의 가장 큰 장점은 간단한 급전 구조와 높은 이득이라 할 수 있다. 
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참고문헌 (32)

  1. B. A. Munk, Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, John Wiley & Sons, 2005. 

  2. D. Kim, J. I. Choi, "Design of a multiband frequency selective surface", ETRI J., vol. 28, no.4, pp. 506-508, 2006. 

  3. J. D. Kraus, R. J. Marhefka, Antennas: For All Applications, 3rd ed., New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2002. 

  4. G. V. Trentini, "Partially reflecting sheet arrays", IRE Trans. Antennas Propag., vol. 12, pp. 666-671, 1956. 

  5. D. Kim, J. Yeo, "A new resonance prediction method of Fabry-Perot cavity(FPC) antennas enclosed with metallic side walls", J. Electromagn. Eng. Sci., vol. 11, pp. 220-226, 2011. 

  6. J. Ju, D. Kim, and J. Choi, "Fabry-Perot cavity antenna with lateral metallic walls for WiBro base station applications", Electron. Lett., vol. 45, pp. 141-142, 2009. 

  7. C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, John Wiley & Sons, 1989. 

  8. N. Guerin, S. Enoch, G. Tayeb, P. Sabouroux, P. Vincent, and H. Legay, "A metallic Fabry-Perot directive antenna", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, pp. 220-224, 2006. 

  9. C. Cheype, C. Serier, M. Thevenot, T. Monediere, A. Reineix, and B. Jecko, "An electromagnetic bandgap resonator antenna", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 50, no. 9, pp. 1285-1290, Sep. 2002. 

  10. R. M. Hashmi, B. A. Zeb, and K. P. Esselle, "Wideband high-gain EBG resonator antennas with small footprints and all-dielectric superstructures", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, pp. 2970-2977, Jun. 2014. 

  11. 여준호, 김동호, "스트립라인 형태의 주파수 선택적 표면 덮개부를 이용한 PCS 대역 기지국용 EBG 공진기 안테나", 2008년 8월 전자공학회 논문지 TC편 45(4), pp. 592-604. 

  12. J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, and R. D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, 2nd ed, Princeton University Press, 2011. 

  13. L. Moustafa, B. Jecko, "EBG structure with wide defect band for broadband cavity antenna applications", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 7, pp. 693-696, 2008. 

  14. D. Kim, J. Ju, and J. Choi, "A mobile communication base station antenna using a genetic algorithm based Fabry-Perot resonance optimization", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, pp. 1053-1058, 2012. 

  15. K. Konstinidis, A. P. Feresidis, and P. S. Hall, "Multilayer partially reflective surfaces for broadband Fabry-Perot cavity antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, pp. 3474-3481, 2014. 

  16. D. Kim, J. Ju, and J. Choi, "A broadband Fabry-Perot cavity antenna designed using an improved resonance prediction method", Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 53, pp. 1065-1069, 2011. 

  17. J. Yeo, D. Kim, "Novel design of a high-gain and wideband Fabry-Perot cavity antenna using a tapered AMC substrate", J. Infrared Millim. Terahertz Waves, pp. 217-224, 2009. 

  18. L. Y. Ji, P. Y. Qin, "Wideband Fabry-Perot cavity antenna with a shaped ground plane", IEEE Access, vol. 6, pp. 2291, 2018. 

  19. D. Kim, E. H. Kim, "A high-gain wideband antenna with frequency selective side reflectors operating in an antiresonant mode", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 14, pp. 442-445, 2015. 

  20. A. P. Feresidis, G. Goussetis, S. Wang, and J. C. Vardaxoglou, "Artificial magnetic conductor surfaces and their application to low-profile high-gain planar antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, pp. 209-215, 2005. 

  21. S. Wang, A. P. Feresidis, G. Goussetis, and J. C. Vardaxoglou, "High-gain subwavelength resonant cavity antennas based on metamaterial ground planes", IEE P-Microw. Anten. P., vol. 153, pp. 1-6, 2006. 

  22. L. Zhou, H. Li, Y. Qin, Z. Wei, and C. T. Chan, "Directive emissions from subwavelength metamaterial-based cavities", IWAT 2005, pp. 191-194, 2005. 

  23. K. Yao, S. Lan, and L. Xu, "A high gain Fabry-Perot cavity antenna with a double-layered partially reflecting frequency selective surface structure", 2017 ISAP, pp. 1-2, 2017. 

  24. M. S. Toubet, R. Chantalat, M. Hajj, and B. Jecko, "2D matrix of joint ultra low-profile(ULP) EBG antennas for high gain applications", 15 Int. Sym. Antenna Tech. Applied Electromagn., pp. 1-3, 2012. 

  25. R. Jeanty, S. Y. Chen, "A low-profile olarization-reconfigurable cavity antenna based on partially reflective surface", 2017 IEEE RFIT, pp. 226-228, 2017. 

  26. A. P. Feresidis, J. C. Vardaxoglou, "High gain planar antenna using optimised partially reflective surfaces", IEE P-Microw. Anten. P., vol. 148, pp. 345-350, 2001. 

  27. L. Zhou, X. Chen, and X. Duan, "Fabry-Perot resonator antenna with high aperture efficiency using a double-layer non-uniform superstrate", IEEE Trans. Antennas Propag., accepted for publication in a future issue, 2018. 

  28. S. A. Muhammad, R. Sauleau, and H. Legay, "Small-size shielded metallic stacked Fabry-Perot cavity antennas with large bandwidth for space applications", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, pp. 792-802, 2012. 

  29. R. M. Hashmi, B. A. Zeb, and K. P. Esselle, "Wideband high-gain EBG resonator antennas with small footprints and all-dielectric superstructures", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, pp. 2970-2977, 2014. 

  30. A. Ghasemi, S. N. Burokur, A. Dhouibi, and A. de Lustrac, "High beam steering in Fabry-Perot leaky wave antennas", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 12, pp. 261-264, Dec, 2013. 

  31. A. Ourir, S. N. Burokur, and A. de Lustrac, "Electronic beam steering of an active metamaterial-based directive subwavelength cavity", Electron. Lett., vol. 43, no. 9, pp. 493-494, Apr. 2007. 

  32. T. Debogovic, J. Perruisseau-Carrier, "Array-fed partially reflective surface antenna with independent scanning and beamwidth dynamic control", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 62, pp. 446-449, Jan. 2014. 

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