[논문]개선된 이진 입자 군집 최적화 알고리즘을 적용한 픽셀 형태 주파수 선택적 표면의 효율적인 설계방안 연구

양대도; 박찬선; 육종관

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.4.261

개선된 이진 입자 군집 최적화 알고리즘을 적용한 픽셀 형태 주파수 선택적 표면의 효율적인 설계방안 연구
Effective Design of Pixel-type Frequency Selective Surfaces using an Improved Binary Particle Swarm Optimization Algorithm 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.4, 2019년, pp.261 - 269

양대도 (연세대학교 전기전자공학부) , 박찬선 (연세대학교 전기전자공학부) , 육종관 (연세대학교 전기전자공학부)

초록
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본 논문은 레이돔과 같은 다층구조의 주파수 선택적 표면(frequency selective surfaces: FSS)을 설계하는데, 편파나 입사각 등 다양한 고려사항에 대한 유연성을 갖는 픽셀 형태의 주파수 선택적 표면을 설계하는 것에 관한 것이다. 픽셀 형태의 FSS를 설계할 때 이산 공간 문제를 해결할 수 있는 다양한 방법 중 이진 입자 군집 최적화(binary particle swarm optimization: BPSO) 알고리즘은 FSS의 주기구조 패턴을 결정하는데 쉽게 적용 가능한 기술 중 하나이며, 따라서 향상된 BPSO 알고리즘을 통해 롤 오프 전파 투과특성을 갖는 FSS를 효율적으로 설계하는 기법을 제안하였다. 원하는 솔루션에 입자를 유도하기 위한 적합성 함수 설계에 대하여 수렴속도 문제를 해결하기 위해, '기울기'를 입력 변수로 한 적합성 함수를 적용할 경우 쉽게 원하는 전파특성을 갖는 FSS를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates a method of designing pixel-type frequency selective surfaces(FSS) with flexibility while considering factors, such as polarization and incident angle. Among the various methods used to solve the discrete space problem when designing a pixel-type FSS, the binary particle swarm optimization(BPSO) algorithm is one of the most applicable techniques to determine the periodic structure pattern of an FSS. Therefore, a method of efficiently designing FSS with roll-off band pass characteristics using an improved BPSO algorithm is proposed. To solve the convergence problem in the fitness function design to induce particles in the desired solution, FSS with desired roll-off wave characteristics can be easily obtained by applying a fitness function using "slope" as an input parameter.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. PSO 알고리즘 흐름도 Fig. 1. The flowchart for PSO algorithm.
그림 그림 2. 기존의 적합성 함수 Fig. 2. Conventional fitness function.
그림 그림 3. 제안하는 기울기 기반의 적합성 함수 Fig. 3. Proposed fitness function.
그림 그림 4. 설계한 FSS 형상 및 재원 Fig. 4. The shape of FSS and parameter.
그림 그림 5. FSS 설계절차 흐름도 Fig. 5. The flowchart of the design FSS process.
그림 그림 6. FSS 구조 및 전파특성 비교 Fig. 6. Comparison of FSS structures and wave characteristics.
그림 그림 7. 기울기 기반 적합성 함수 적용한 결과 FSS의 구조 및 전파특성 Fig. 7. The transmission efficiency of FSS using slope-based fitness function.
그림 그림 8. 기존의 적합성 함수를 사용한 두 FSS의 최소 적합성 값 비교 곡선 Fig. 8. Curve of minimum fitness values comparison using conventional fitness function.
표 표 1. 최소 적합성 값 비교 Table 1. Minimum fitness values comparison.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 다루는 FSS의 목표성능은 X 밴드의 특정 주파수에서 협대역 전파투과 특성을 갖는 FSS를 설계하는 것이다. 제작상의 이점과 레이돔의 경량화를 위해 단층 FSS를 고려하였으며, 이전 장에서 제시한 두 개의 적합성 함수에 대한 차이를 비교하는 것에 초점을 두었으므로 연산의 효율성을 위해 FSS에 추가적인 유전체 적용을 고려하지 않았다.
본 논문에서는 레이돔과 같은 다층구조의 FSS를 설계하는데, 편파나 입사각 등 다양한 고려사항에 대한 유연성을 갖는 픽셀 형태의 주파수 선택적 표면을 설계하는 방법에 관한 것이다. 이 FSS를 설계할 때 향상된 BPSO 알고리즘을 통해 롤 오프 전파 투과특성을 갖는 픽셀 형태의 FSS를 효율적으로 설계하는 기법을 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서는 레이돔과 같은 다층구조의 FSS를 설계하는데, 편파나 입사각 등 다양한 고려사항에 대한 유연성을 갖는 픽셀 형태의 주파수 선택적 표면을 설계하는 방법에 관한 것이다. 이 FSS를 설계할 때 향상된 BPSO 알고리즘을 통해 롤 오프 전파 투과특성을 갖는 픽셀 형태의 FSS를 효율적으로 설계하는 기법을 제안하였다. 45 개의 조절 가능한 이진 셀을 구성하고 있는 2차원의 PEC 표면인 FSS를 기준으로 설계하였으며, 입사각에 대한 안정성을 보장하기 위하여 대칭 구조로 설계하였다.

대상 데이터

2장에서 새롭게 제안된 적합성 함수(식 6, 그림 3)의 BPSO 알고리즘 효율성을 증명하기 위해 이진문제 해결 로 제작되는 FSS를 설계하였다. 2차원의 PEC 표면에 0 또는 1의 조합으로 이루어진 총 324개의 cell(18×18)로 구성하였으며, 입사 방향에 대한 안정성을 보장하기 위해 대칭 구조로 제작하는 것을 고려하여 45개의 셀로 FSS 패턴을 설계하였다. 한 입자가 갖는 FSS 크기는 X 밴드 대역의 공진 전파특성을 얻기 위한 적절한 크기인 1 cm×1 cm이며^[3], FSS를 구성하는 cell size는 0.

성능/효과

이에 본 연구에서는 특정 주파수에서 협대역 특성을 갖는 FSS를 설계하는데 이전에 사용된 적합성 함수의 한계점을 살펴보고, 이를 개선한 기울기 기반의 적합성 함수를 소개하여 상대적으로 적은 반복횟수로도 빠르게 원하는 주파수 특성을 갖는 FSS를 설계할 수 있음을 시뮬레이션 결과 및 분석을 통해 증명한다.
또한, 목표 주파수 대역인 X-밴드 대역의 파장에 적합한 FSS 크기를 결정하였다. 이진 군집 최적화 알고리즘에서 원하는 솔루션에 입자를 유도하기 위한 적합성 함수 설계에 대하여, 수렴속도 문제를 해결하기 위해 ‘기울기’를 입력 변수로 한 적합성 함수를 적용한 결과, 기존의 ‘값’을 입력 변수로 한 적합성 함수적용에 비해 빠른 효율로 원하는 롤 오프 전파 투과특성을 갖는 FSS를 얻을 수 있었다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 선택적 표면이란 무엇인가?	주파수 선택적 표면(FSS)은 주기구조를 이용해 특정한 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 반사하는 표면이다. 이러한 FSS는 통신, 레이다 시스템 등 여러 분야에서 많이 사용되는데[1],[2], 주기구조의 형상을 갖는 FSS는 입사하는 전자파에 대해 특정 주파수만을 통과 또는 반사하는 필터 역할을 하며, 이러한 특성으로 인해 레이돔 설계에 주로 사용된다.
	FSS가 레이돔 설계에 주로 사용되는 이유는 무엇인가?	주파수 선택적 표면(FSS)은 주기구조를 이용해 특정한 주파수를 가진 전자파를 투과하거나 반사하는 표면이다. 이러한 FSS는 통신, 레이다 시스템 등 여러 분야에서 많이 사용되는데[1],[2], 주기구조의 형상을 갖는 FSS는 입사하는 전자파에 대해 특정 주파수만을 통과 또는 반사하는 필터 역할을 하며, 이러한 특성으로 인해 레이돔 설계에 주로 사용된다. 일반적인 형태의 FSS는 비교적 단순한 형태의 엘리먼트로 구성[3]되어 있으며, 이러한 단순구조의 경우 등가회로로 쉽게 모델링하여 표현이 가능하다[4].
	PSO 알고리즘은 어떻게 진행되는가?	Eberhart에 의해 개발되었으며 새의 무리와 곤충 떼의 사회적 행동과 같이 주 어진 공간을 탐색하기 위한 병렬 진화 연산 기법이다. 입 자들의 무리는 탐색공간 전체에 확률적으로 분포하며, 각 입자는 자체로 임의의 속도와 방향을 갖는다. 이렇게 초 기 임의의 입자들을 생성한 이후 이들이 갖는 특성이 목 적에 근접한 특성값을 갖도록 유도하는데 반복마다 particle best 및 global best를 평가하고, 정해진 반복횟수가 끝날 때까지 입자들을 목표로 하는 값으로 유도하기 위해 속 도와 위치를 갱신한다. 그림 1의 흐름도는 이러한 PSO 알고리즘의 절차를 보여준다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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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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