KR102129386B1 - Ultrawide Bandwidth Electromagnetic Wave Absorbers Using High-Capacitive Spiral Frequency Selective Surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초광대역 전파흡수체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 하한 주파수(fL)의 감소와 상한 주파수(fH)의 상승을 동시에 추구할 수 있도록 한 고 정전용량의 나선형 주파수선택표면을 이용한 초광대역 전파흡수체에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-wideband radio wave absorber, and more specifically, a candle using a high-capacitance helical frequency selection surface capable of simultaneously pursuing a decrease in the lower limit frequency (f L ) and an increase in the upper limit frequency (f H ). It relates to a broadband radio wave absorber.
전자 제품 및 이동통신에 사용되는 주파수가 마이크로파에서 밀리미터파까지 광범위하게 확장됨에 따라 전자기파 제어와 호환성을 보장하기 위해 고성능의 흡수 및 차폐 물질이 필요하다. 가장 대표적인 예가 최근 크게 이슈화되고 있는 5G 이동통신 기술이다. 5G 이동통신은 4G 이동통신에 비해 용량과 속도가 1,000배 증가한 통신기술로 2020년 상용화를 목표로 개발 중인 기술이다. As the frequencies used in electronic products and mobile communication are widely extended from microwave to millimeter wave, high-performance absorbing and shielding materials are needed to ensure electromagnetic wave control and compatibility. The most representative example is 5G mobile communication technology, which has recently become a major issue. 5G mobile communication is a communication technology that is 1,000 times higher in capacity and speed than 4G mobile communication, and is being developed for commercialization in 2020.
사람이나 사물이 언제 어디서나 연결될 수 있도록 1 Gbps 급 전송속도, 1초에서 1ms로 향상된 접속속도, 최대 500 km/h의 이동성 보장, 에너지 효율성 향상, 수많은 주변 디바이스와 소통 가능한 기술로 정의된다. 5G 네트워크는 광대역 서비스를 제공하기 위해 향후 주로 밀리미터파(26, 28, 38, 60 GHz 등)를 사용한다. 그러나 밀리미터파의 직진성으로 인해 장애가 있을 때 충돌 및 분산의 발생 빈도가 높고, 이를 방지하기 위한 전파장애 대책 기술이 필요하다. 평판의 두께가 얇으면서 밀리미터파 대역까지 포함하는 광대역 전파흡수체의 확보는 민수 및 군사 분야에 이르기까지 중요한 과제이다. 하지만 흡수체의 대역폭, 두께와 반사율 사이에는 반비례적인 관계가 있어 대역폭 확대와 두께 감소를 동시에 달성하는 것은 어려운 과제이고, 성능지수에 이론적인 한계치가 존재한다.It is defined as a transmission speed of 1 Gbps, a connection speed improved from 1 second to 1 ms, mobility up to 500 km/h, energy efficiency improvement, and communication technology with numerous peripheral devices so that people or objects can be connected anytime, anywhere. 5G networks mainly use millimeter waves (26, 28, 38, 60 GHz, etc.) in the future to provide broadband services. However, due to the straightness of the millimeter wave, the frequency of occurrence of collision and dispersion is high when there is a failure, and a technique for preventing radio interference is needed to prevent this. Securing a broadband radio wave absorber that includes a millimeter wave band while the thickness of the plate is thin is an important task in both civil and military fields. However, since there is an inverse relationship between the bandwidth, thickness and reflectance of the absorber, it is difficult to achieve bandwidth expansion and thickness reduction simultaneously, and there is a theoretical limit to the performance index.
Jaumann 흡수체는 광대역 흡수체의 대표적 예로 저항성 sheet의 다층 배열에 의해 매우 넓은 주파수 대역을 얻을 수 있지만, 단층 Salisbury 스크린 흡수체에 비해 두께가 훨씬 커지는 문제점을 보인다. 예를 들어 8층의 저항성 시트로 이루어진 Jaumann 흡수체는 3.0∼35.2 GHz 범위에서 -20 dB의 반사손실을 보이지만, 흡수체의 총 두께가 이론치의 두 배 이상(31.4 mm)으로 증가하는 문제점을 수반한다.The Jaumann absorber is a representative example of a broadband absorber, and a very wide frequency band can be obtained by a multilayer arrangement of resistive sheets, but it exhibits a problem that the thickness is much larger than that of a single-layer Salisbury screen absorber. For example, a Jaumann absorber made of an 8-layer resistive sheet exhibits a reflection loss of -20 dB in the range of 3.0 to 35.2 GHz, but is accompanied by a problem that the total thickness of the absorber increases to more than twice the theoretical value (31.4 mm).
Dallenbach 흡수체는 Salisbury 스크린과는 다른 메카니즘을 사용하는데, 이 디자인은 금속 접지면(ground plane) 앞에 λ/4의 두께의 균일한 손실 매질로 이루어져 있다. 그러나 1/4 파장에 해당하는 주파수에 국한된 협대역 특성을 보이는 것이 일반적 특성이다. 최근에 제시된 메타소재 흡수체는 극도로 얇게 제조할 수 있지만, 고유의 공진기 특성 때문에 매우 좁은 대역폭을 보인다. 비자성 기판에 주파수 선택 표면(frequency selective surface: FSS) 또는 메타 표면(meta surfaces)을 적용하는 방법이 대역폭을 넓히는 동시에, 가능한 범위에서 두께도 줄일 수 있는 효과적인 접근법으로 제안되었다. The Dallenbach absorber uses a different mechanism than the Salisbury screen, which consists of a uniform loss medium of λ/4 thickness in front of the metal ground plane. However, it is a general characteristic to show a narrow-band characteristic limited to a frequency corresponding to a quarter wavelength. The recently proposed meta-material absorber can be manufactured to be extremely thin, but exhibits a very narrow bandwidth due to its unique resonator characteristics. A method of applying a frequency selective surface (FSS) or meta surfaces to a non-magnetic substrate has been proposed as an effective approach to increase the bandwidth while reducing the thickness to the extent possible.
보다 넓은 대역폭 확장 방법으로 FSS 또는 메타표면을 다층화 하는 연구가 시도되었다. 광대역 흡수체의 성능지수(대역폭, 총 두께)는 크게 주파수 비대역폭(fractional band width (FBW) : 대역폭을 그 대역폭의 중심주파수로 나눈 값(△f/f0))과 흡수 대역의 최저 주파수에 해당하는 파장 (λL)으로 표시되는 두께로 대변된다. 지금까지의 연구결과를 종합하면, FBW는 최대 150% 수준, 두께는 0.1λL 수준을 보인다. 그러나 대역폭이 충분하지 못한 것 (특히 밀리미터파 대역과 6 GHz 이하의 저주파 대역)과 너무 많은 저항성 시트로 인한 복잡한 구조는 여전히 문제로 남아 있으며, 이를 해결하기 위해서는 새로운 방식의 FSS 패턴 및 이를 이용한 초광대역 흡수체 설계가 요구된다. Studies have attempted to multi-layer FSS or metasurfaces with a wider bandwidth extension method. The performance index (bandwidth, total thickness) of the broadband absorber largely corresponds to the frequency fractional band width (FBW: bandwidth divided by the center frequency of the bandwidth (△f/f 0 )) and the lowest frequency of the absorption band. It is represented by the thickness expressed by the wavelength (λ L ). Taken together, the FBWs are up to 150% and the thickness is 0.1λ L. However, the insufficient structure (especially the millimeter wave band and the low frequency band below 6 GHz) and the complicated structure due to too many resistive sheets still remain a problem, and in order to solve this, a new type of FSS pattern and an ultra wide band using the same Absorber design is required.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하한 주파수(fL)의 감소와 상한 주파수(fH)의 상승을 동시에 추구할 수 있도록 한 고 정전용량의 나선형 주파수선택표면을 이용한 초광대역 전파흡수체를 제공하는 데 있다.The object of the present invention was devised to solve the above problems, and a second using a high-capacitance helical frequency selection surface that allows simultaneous reduction of the lower limit frequency (f L ) and the increase of the upper limit frequency (f H ). It is to provide a broadband radio wave absorber.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 전파흡수체는, 주파수선택표면(FSS: Frequency Selective Surface) 도체 패턴으로 나선형 주파수선택표면(spiral FSS) 또는 굴곡형 주파수선택표면(convoluted FSS)을 적용하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the ultra-wide-band radio wave absorber according to an embodiment of the present invention, a frequency selective surface (FSS: Frequency Selective Surface) in a conductor pattern, a spiral frequency selection surface (spiral FSS) or a curved frequency selection surface (convoluted) FSS) is characterized by applying.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초광대역 전파흡수체는, 단락된 유전체 기판 위에 표면저항을 갖는 나선형 FSS 또는 굴곡형 FSS, 루프형 FSS 또는 패치형 FSS 각각 인쇄하여 각각의 패턴층을 형성하고,The ultra-wideband radio wave absorber according to another embodiment of the present invention, each of the spiral FSS or curved FSS having a surface resistance, a looped FSS or a patched FSS having a surface resistance is printed on each of the shorted dielectric substrates to form respective pattern layers,
각각의 패턴층을 일정 두께를 두고 이격시켜 적층하며, 그들 사이에 간격재를 제공하는 것을 특징으로 한다.Each pattern layer is stacked by being spaced apart at a predetermined thickness, and is characterized by providing a spacer therebetween.
상기 간격재는 저유전율 경량 기판인 폴리에틸렌 폼인 것을 특징으로 한다.The spacer is characterized in that it is a polyethylene foam that is a low-permittivity lightweight substrate.
상기 나선형 FSS는, 나선형 스트립 4개가 단위셀 내에 90°회전 대칭으로 분포하는 것을 특징으로 한다.The helical FSS is characterized in that four helical strips are symmetrically distributed in the unit cell by 90° rotation.
각각의 나선형 스트립은 두가닥이 접힌 스트립이 시계방향으로 3번 굽힌 나선형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Each spiral strip is characterized in that the two-stranded strip consists of a spiral bent three times clockwise.
본 발명에 따르면, 나선형 도체로 구성된 새로운 구조의 고 정전용량 주파수선택표면(FSS)를 다층 구조에 도입하여 초광대역 전파흡수체를 설계, 제작함으로써, 유효 길이가 길고 간극이 작은 나선형 FSS의 접힌 구조로 인해, 작은 주기와 공진주파수를 동시에 얻을 수 있었다. According to the present invention, by designing and manufacturing an ultra-wideband radio wave absorber by introducing a new structured high-capacitance frequency selective surface (FSS) composed of a spiral conductor into a multi-layer structure, the folded structure of a spiral FSS having a long effective length and a small gap is formed. Therefore, a small period and a resonant frequency could be obtained simultaneously.
본 발명에서는, 고 정전용량의 나선형 FSS를 기존 구조의 FSS(square loop, square patch)와 조합시켜 초광대역 흡수 대역폭(10 dB 기준, 4.7∼56.4 GHz)을 총 두께 7.0 mm에서 설계하였다. 스크린 인쇄법에 의해 제조 된 실험 샘플을 제조하고, 자유공간 측정법으로 실측한 결과 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 제시하였다. 제안한 초광대역 흡수체의 경사입사 안정성 또한 우수하였고, 이는 나선형 FSS 도입에 따른 단위 셀 주기의 감소에 기인한다. 또한, 최근 크게 이슈화되고 있는 5G 이동통신 기술을 포함하는 전자 제품 및 통신 장비에 광대역 특성의 흡수 및 차폐 물질로 사용이 크게 기대된다. In the present invention, a high-capacitance spiral FSS was combined with a square loop (square patch) of a conventional structure to design an ultra-wideband absorption bandwidth (based on 10 dB, 4.7 to 56.4 GHz) at a total thickness of 7.0 mm. An experimental sample prepared by a screen printing method was prepared, and the results obtained by free space measurement were suggested to be in good agreement with the simulation results. The inclined incident stability of the proposed ultra-wideband absorber was also excellent, which is attributable to a decrease in the unit cell cycle due to the introduction of a spiral FSS. In addition, it is expected to be widely used as an absorption and shielding material for broadband characteristics in electronic products and communication equipment including 5G mobile communication technologies, which have recently become a major issue.
도 1은 본 발명에 따른 전파흡수체로서, 접지된 유전체 기판위의 3층의 FSS (FSS1: 패치, FSS2: 사각루프, FSS3: 나선형)가 배열된 전파흡수체이다.
도 2는 비대역폭에 의한 전파흡수체의 분류 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 세 가지 유형의 FSS 개략도 및 치수이다. (a) 나선형 FSS (p = 6.0 mm, w = 0.3 mm, s = 0.2 mm, g = 0.2 mm, a = 0.8 mm), (a) 정사각형 루프 FSS (p = 6.0 mm, d = 5.6 mm, w = 0.3 mm) 및 (c) 정사각형 패치 FSS (p = 6.0 mm, d = 4.0 mm).
도 4는 도 3에 주어진 치수로 자유공간에 서있는 세 가지 유형의 FSS (spiral, square loop, square patch)의 전송손실 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 3층형 전파흡수체이다: (a) 구조도, (b) 등가회로.
도 6은 본 발명에 따른 FSS 표면 저항과 간격재 두께를 최적화하여 시뮬레이션한 3층 FSS 흡수체의 반사손실 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 3층 FSS 흡수체의 경사입사 특성이다: (a) TE 및 (b) TM 편광.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 샘플 제작 및 측정이다: (a) 단위 셀 주기가 6.0mm 인 FSS3 (나선형), FSS2 (사각형 루프), FSS1 (사각형 패치)의 인쇄 패턴의 평면도 (b)흡수체 구조도, (c) 무향실에서의 자유공간 측정 시스템.
도 9는 도 8(b)에 제시된 구조를 갖는 3층 흡수체의 측정된 반사손실 결과 그래프이다. 1 is a radio wave absorber according to the present invention, a three-layer FSS (FSS1: patch, FSS2: square loop, FSS3: spiral) arranged on a grounded dielectric substrate.
Figure 2 is a classification graph of the radio wave absorber by the non-bandwidth.
3 is a schematic diagram and dimensions of three types of FSS according to the present invention. (a) Spiral FSS (p = 6.0 mm, w = 0.3 mm, s = 0.2 mm, g = 0.2 mm, a = 0.8 mm), (a) Square loop FSS (p = 6.0 mm, d = 5.6 mm, w = 0.3 mm) and (c) square patch FSS (p = 6.0 mm, d = 4.0 mm).
FIG. 4 is a graph showing the simulation results of three types of FSS (spiral, square loop, square patch) transmission loss in free space with the dimensions given in FIG. 3.
5 is a three-layer radio wave absorber according to the present invention: (a) structural diagram, (b) equivalent circuit.
6 is a reflection loss result of a three-layer FSS absorber simulated by optimizing FSS surface resistance and spacer thickness according to the present invention.
7 is a slope incident characteristic of a three-layer FSS absorber according to the present invention: (a) TE and (b) TM polarization.
8 is an experimental sample production and measurement according to an embodiment of the present invention: (a) FSS3 (spiral), FSS2 (square loop), FSS1 (square patch) with a unit cell period of 6.0 mm, a top view of the printed pattern ( b) Absorber structure diagram, (c) Free space measurement system in anechoic chamber.
9 is a graph of measured return loss results of a three-layer absorber having the structure shown in FIG. 8(b).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고 정전용량의 나선형 주파수선택표면을 이용한 초광대역 전파흡수체에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an ultra-wideband radio wave absorber using a high-capacitance helical frequency selection surface according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초광대역 전파흡수체는 배면이 도체로 단락된 기판 위에 고 정전용량의 나선형 주파수선택표면(Frequency Selective Surface: FSS)을 포함하는 다양한 패턴의 FSS가 층열 배열된 구조로 구성된다. Referring to FIG. 1, in the ultra-wideband radio wave absorber according to the present invention, a structure in which FSSs of various patterns including a high-capacitance helical frequency selective surface (FSS) are arranged in a layer arrangement on a substrate having a back surface shorted by a conductor It consists of.
도 2를 참조하면,전파흡수능은 허용 반사계수가 미리 설정된 값인 Γ0 이하로 측정되는 특성으로 정의됨으로, 그 허용치 이하로 되는 주파수 비대역폭(FBW)으로부터 협대역형, 광대역형, 초광대역형으로 분류된다. FBW가 약 10% 정도 이하, 또는 경우에 따라서 20% 이하의 전파흡수체를 협대역형 전파흡수체라 한다. 이 협대역형 전파흡수체의 주파수 특성은 단봉 특성을 나타내고, 주로 단층형 전파흡수체로 충분하다. 사용주파수가 넓은 전파흡수체를 광대역형 전파흡수체라 하며, FBW가 20% 이상 또는 30% 이상의 것으로 일반적으로 다층구조를 취한다. 초광대역형 전파흡수체는 어느 하한 주파수 
평면 다층 매질로 구성되는 전파흡수체에서 파장으로 표시되는 대역폭(△λ = λL - λH)은 흡수체 두께(d)와 반사계수(Γ)의 함수이며, 이들 변수 간의 관계는 Rozanov 이론식에 의해 다음과 같이 주어진다.The bandwidth (△λ = λ L -λ H ) expressed as a wavelength in a radio wave absorber composed of a planar multilayer medium is a function of the absorber thickness (d) and the reflection coefficient (Γ), and the relationship between these variables is Is given as
반사계수를 특정치(Γ0) 이하로 가지는 대역폭은 흡수체 두께에 반비례함을 알 수 있다. 역으로 반사계수 및 대역폭의 목표치가 주어졌을 때 흡수체 두께의 이론적 하한치를 예측할 수 있다. FSS는 도체의 저항(R) 및 인덕턴스(L), 도체 간의 간격에 의한 커패시턴스(C) 성분을 가지며, 이들 성분의 조절에 의해 주파수 대역의 조절이 가능하다. 단락 유전체 기판 위에 FSS를 위치시켜 흡수체를 구성했을 때, 흡수 대역의 중심주파수는 FSS의 공진주파수 (
주파수 대역폭의 상한 주파수는 FSS 단위 셀의 주기에 의해 제한된다. 고주파 대역폭을 제한하는 첫 번째 요소는 최저 컷오프 주파수(Floquet modes)보다 큰 주파수에서 나타나는 격자 로브이다. 이 주파수는 FSS 주기와 반비례 관계를 가진다. FSS 주기가 파장보다 커지는 고주파 영역에서는 격자 로브가 발생하고, 흡수체의 기능을 제한한다. 결과적으로 공간적 FSS 주기를 줄이는 것이 이에 대한 해결책이다. 그러나 주기의 감소는 커패시턴스를 감소시키고, 따라서 공진주파수를 증가시킴으로써 저주파 대역에서 흡수 대역폭을 감소시킨다. 두 번째 제한 요소는 RLC 등가회로 모델이 적용되는 FSS에서 발생하는 기본 공진의 고조파이다. 이 역시 FSS의 주기를 작게 하여 공진주파수를 올림으로써 해결할 수 있으나, 반대로 하한 주파수 대역이 줄어드는 문제를 수반한다. The upper limit frequency of the frequency bandwidth is limited by the period of the FSS unit cell. The first factor limiting the high frequency bandwidth is the grating lobe that appears at frequencies above the lowest cutoff frequencies. This frequency is inversely related to the FSS period. In the high frequency region where the FSS period becomes larger than the wavelength, a lattice lobe occurs, limiting the function of the absorber. As a result, reducing the spatial FSS period is a solution. However, the decrease in period reduces the capacitance, and thus the absorption bandwidth in the low frequency band by increasing the resonance frequency. The second limiting factor is the harmonics of the fundamental resonance occurring in the FSS to which the RLC equivalent circuit model is applied. This can also be solved by increasing the resonant frequency by reducing the period of the FSS, but, on the contrary, it involves a problem that the lower frequency band is reduced.
앞서 설명한 바와 같이, FSS의 주기 조절을 통하여 대역폭을 증가시키는 것에는 근본적인 한계가 있다. FSS 흡수체의 하한, 상한 주파수를 동시에 확대하기 위해서는 단위 셀의 주기를 작게 하고(상한 주파수 증가), 동시에 공진주파수가 낮은(하한 주파수 감소) FSS의 도입이 필수적이다. 이 문제의 해결방안으로 기존의 사각 루프, 크로스, 패치 형 FSS에 비해 커패시턴스가 큰 굴곡형(convoluted) 또는 나선형(spiral) FSS가 주목된다. 입사각도의 변화에 따른 공진주파수의 안정성도 아울러 기대할 수 있다. 이는 굴곡형, 나선형 FSS의 매우 큰 커패시턴스에 기인한다. 물리적인 관점에서, 굴곡형 또는 나선형 FSS의 커다란 커패시턴스는 좁은 간격을 유지하면서 단위 셀 전역에 분산되어 있는 장선의 도체 사이의 용량성 결합에 기인한다.As described above, there is a fundamental limitation in increasing the bandwidth through periodic adjustment of the FSS. In order to simultaneously expand the lower and upper frequencies of the FSS absorber, it is necessary to reduce the period of the unit cell (increase the upper limit frequency) and at the same time introduce FSS with a low resonance frequency (reduce the lower limit frequency). As a solution to this problem, a convoluted or spiral FSS having a large capacitance compared to a conventional square loop, cross or patch type FSS is noted. Stability of the resonant frequency according to the change in the incident angle can be expected. This is due to the very large capacitance of the curved, helical FSS. From a physical point of view, the large capacitance of the curved or helical FSS is due to the capacitive coupling between conductors of long wires distributed throughout the unit cell while maintaining a narrow gap.
본 발명에서는 커패시턴스가 매우 큰 나선형 FSS(저주파 대역 하한 확대용)를 도입하고, 이를 기존의 고주파 공진주파수를 갖는 FSS와 조합시켜, 이론치의 두께에 접근하면서 초광대역 특성(FBW = 180% 수준)의 전파흡수체를 설계한다. 크게 세 가지 유형의 FSS(다중 가지 나선형, 정사각형 루프, 정사각형 패치)를 선택하고, FSS 패턴 및 치수 제어를 통해 인덕턴스와 커패시턴스의 회로 변수와 공진 주파수를 체계적으로 제어한다. 세 가지 FSS의 층열 조합, 치수 변화, 기판 두께, FSS 도체의 면저항 등을 최적화하여 두께 = 이론치, FBW = 180% 수준의 초광대역 흡수체 설계를 시도한다. 흡수체의 단위 셀 주기와 격자 로브 또는 고조파와 관련하여, 제안한 흡수 구조의 경사입사 안정성을 제안한다. In the present invention, a spiral FSS (for expanding the lower limit of the low frequency band) having a very large capacitance is introduced, and this is combined with an FSS having an existing high frequency resonant frequency to approach the thickness of the theoretical value and achieve ultra-wideband characteristics (FBW = 180% level). Design a radio wave absorber. Three types of FSS (multiple spirals, square loops, and square patches) are selected, and the FSS pattern and dimensional control are used to systematically control the circuit variables and resonant frequencies of inductance and capacitance. We attempt to design an ultra-wideband absorber with thickness = theoretical value and FBW = 180% by optimizing the layer combination of three FSS, dimensional change, substrate thickness, and sheet resistance of FSS conductor. In relation to the unit cell period of the absorber and the lattice lobe or harmonic, we propose the inclined incident stability of the proposed absorbent structure.
도 3은 세 가지 유형의 FSS(나선형, 정사각형 루프, 정사각형 패치)의 개략도와 치수를 보여준다. 나선형 FSS(이하, S-FSS로 칭함)는 폭과 간격이 각각 w = 0.3 mm, s = 0.2 mm으로 주어지고, 두 가닥으로 접힌 스트립이 시계 방향으로 3번 굽힌 나선형으로 구성되어 있다(도 3(a)). 스트립은 코너에서 a = 0.8 mm 크기의 정사각형 패치로 종단된다. 이와 같은 나선형 스트립 4 개가 단위 셀(주기는 p = 6 mm) 내에 90°회전 대칭으로 분포한다. 따라서 편파(polarization)에 무관하다. 나선형 스트립 사이의 간격은 g = 0.2 mm이고, 단위 셀 전체에 걸쳐 균일하다. 사각 루프 FSS(이하, SL-FSS로 칭함)의 경우, 단위 셀 주기는 p = 6.0 mm, FSS 길이 및 폭은 각각 d = 5.6 mm, w = 0.3 mm이다 (도 3(b)). 정사각형 패치 FSS(이하, SP-FSS로 칭함)의 주기는 p = 6.0 mm, 길이는 d = 4.0 mm이다 (도 3(c)).3 shows the schematic and dimensions of the three types of FSS (spiral, square loop, square patch). Spiral FSS (hereinafter referred to as S-FSS) is given by width and spacing of w = 0.3 mm and s = 0.2 mm, respectively, and the strip folded in two strands consists of a spiral bent three times clockwise (Fig. 3). (a)). The strip ends with a square patch of size a = 0.8 mm at the corner. Four such spiral strips are distributed symmetrically by 90° in a unit cell (cycle is p = 6 mm). Therefore, it is independent of polarization. The spacing between the spiral strips is g = 0.2 mm, and is uniform across the unit cells. In the case of a square loop FSS (hereinafter referred to as SL-FSS), the unit cell period is p = 6.0 mm, the FSS length and width are d = 5.6 mm and w = 0.3 mm, respectively (Fig. 3(b)). The period of the square patch FSS (hereinafter referred to as SP-FSS) is p = 6.0 mm, and the length is d = 4.0 mm (Fig. 3(c)).
FSS의 단위 셀은 직렬로 연결된 인덕턴스 L 과 커패시턴스 C로 구성된 등가회로로 표현될 수 있고, 특정 주파수에서 공진특성을 보인다. The unit cell of the FSS may be represented by an equivalent circuit composed of inductance L and capacitance C connected in series, and exhibit resonance characteristics at a specific frequency.
도 4는 3가지 FSS의 투과손실에 대한 시뮬레이션 결과이다. S-FSS인 경우 8.1 GHz, SL-FSS인 경우 12.4 GHz, SP-FSS인 경우 46.4 GHz의 주파수(f0)에서 공진특성을 보인다. 공진주파수로부터 추출한 3가지 FSS의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)를 표 1에 제시하였다.4 is a simulation result of the transmission loss of the three FSS. Resonant characteristics are shown at frequency (f 0 ) of 8.1 GHz for S-FSS, 12.4 GHz for SL-FSS, and 46.4 GHz for SP-FSS. Table 1 shows the inductance (L) and capacitance (C) of the three FSSs extracted from the resonant frequency.
나선형 S-FSS의 경우, L = 1.16 nH and C = 288.46 fF로서 SL-FSS 또는 SP-FSS에 비해 매우 큰 정전용량을 보인다. 이는 커패시턴스가 형성되는 나선형 도체 사이의 간격이 작고, 유효 길이가 크기 때문이다. L 및 C 값으로부터 계산된 공진주파수는 S-FSS의 경우 f0 = 8.7 GHz, SL-FSS의 경우 f0 = 12.4 GHz, SP-FSS의 경우 f0 = 46.1 GHz이고, 이는 도 2에 제시된 시뮬레이션 결과와 일치한다. 공진주파수에서의 1/4 파장 (λ/4)도 표 1에 제시하였다.For the spiral S-FSS, L = 1.16 nH and C = 288.46 fF, showing a very large capacitance compared to the SL-FSS or SP-FSS. This is because the gap between the helical conductors in which the capacitance is formed is small and the effective length is large. The resonance frequency calculated from the L and C values is f 0 = 8.7 GHz for S-FSS, f 0 = 12.4 GHz for SL-FSS, and f 0 = 46.1 GHz for SP-FSS, which is the simulation presented in FIG. 2. Consistent with the results. Table 1 also shows the 1/4 wavelength (λ/4) at the resonance frequency.
초광대역 특성의 전파흡수체를 구현하기 위해 도 5(a)와 같은 구조의 3개의 저항성 FSS의 층렬 조합을 제안한다. 3층 FSS 흡수체의 경우, 두께 t1의 접지된 기판에 FSS1(SP-FSS)을 배치하고, 두께 t2의 두번째 기판에 FSS2(SL-FSS)를 배치한 다음, 두께 t3의 FSS3(S-FSS)를 배치한다. 여기서 간격재는 공기이다. 다층 FSS 흡수체의 설계는 도 5(b)에 제시한 등가회로를 사용하여 설명된다. 설계 변수는 3가지 FSS의 저항(R), 인더턴스(L), 커패시턴스(C), 그리고 간격재의 두께(t)이다.In order to realize the ultra-wideband radio wave absorber, a layered combination of three resistive FSSs having a structure as shown in FIG. 5(a) is proposed. In the case of a three-layer FSS absorber, FSS1 (SP-FSS) is placed on a grounded substrate of thickness t 1 , FSS2 (SL-FSS) is placed on a second substrate of thickness t 2 , and then FSS3 (S of thickness t 3 ) -FSS). Here, the spacer is air. The design of the multilayer FSS absorber is described using the equivalent circuit shown in Fig. 5(b). The design variables are the resistance (R), inductance (L), capacitance (C) of the three FSSs, and the thickness (t) of the spacer.
도 6은 설계 변수를 최적화하여 얻어진 3층 FSS 흡수체의 반사손실 결과이다. 6 is a reflection loss result of a three-layer FSS absorber obtained by optimizing design parameters.
표 2는 최적화설계 변수에 해당하는 3가지 FSS의 저항(R), 인더턴스(L), 커패시턴스(C), 그리고 간격재의 두께(t)를 나타낸다. FSS1, FSS2, FSS3의 표면저항 및 간격재 두께를 각각 Rs1 = 100 Ω/sq, t1 = 2. mm, Rs2 = 20 Ω/sq, t2 = 3.0 mm, Rs3 = 100 Ω/sq, t3 = 4.3 mm로 했을 때, 도 6과 같이 -10 dB 반사손실 기준 4.7∼56.4 GHz의 흡수 대역폭을 얻을 수 있다.Table 2 shows the resistance (R), inductance (L), capacitance (C), and thickness (t) of the spacers of the three FSSs corresponding to the optimization design parameters. FSS1, FSS2, surface resistance, and the material thickness of each interval R s1 = 100 of FSS3 Ω / sq, t 1 = 2. mm, R s2 = 20 Ω / sq,
도 7은 제안한 초광대역 흡수체의 경사입사 안정성을 보여준다. TE, TM 편파 모두에서 입사각(θ)이 증가함에 따라 반사손실은 증가하지만 10 dB 흡수 대역폭은 입사각 40°까지 유지됨을 볼 수 있다. 고주파 영역에서 격자 로브 또는 고주파 고조파(반사 손실 곡선에서 톱니로 표시)가 관찰되었으며 임계 주파수는 TE 및 TM 편파 모두에 대한 입사각이 증가에 따라 감소한다. θ = 40°의 경우 임계 주파수는 대략 방정식 p ≤ λ/(1 + sinθ)에 따라 37 GHz (TE의 경우) 및 34 GHz (TM의 경우)로 낮아졌다. 그러나 이전 연구와 비교하여, 격자 로브의 대역폭 및 임계 주파수에 관한 각도 안정성이 크게 개선되었으며, 이는 나선형 FSS 도입에 따른 단위 셀 주기가 감소했기 때문이다.7 shows the inclined incident stability of the proposed ultra-wideband absorber. It can be seen that the reflection loss increases as the incident angle θ increases in both TE and TM polarized waves, but the 10 dB absorption bandwidth is maintained up to 40°. In the high-frequency region, lattice lobes or high-frequency harmonics (indicated by teeth in the reflection loss curve) are observed, and the critical frequency decreases with increasing incidence angles for both TE and TM polarizations. For θ = 40°, the critical frequency was lowered to 37 GHz (for TE) and 34 GHz (for TM) approximately according to the equation p ≤ λ/(1 + sinθ). However, compared to the previous study, the angular stability of the lattice lobe with respect to the bandwidth and the critical frequency has been greatly improved because the unit cell period due to the introduction of the spiral FSS has been reduced.
<실시예> 시제품 제작 및 실측<Example> Prototype production and measurement
최적 조건에 가까운 기하 구조 및 표면 저항을 갖는 3가지 유형의 FSS(나선형, 정사각형 루프, 정사각형 패치)를 스크린 인쇄법에 의해 제조하였다. 저항성 잉크 재료(카본 블랙 페이스트)를 마스크 패턴을 통과시켜 두께 0.2 mm의 FR-4 기판에 인쇄하였다(도 8(a)). 간격재로서 폴리에틸렌 폼을 사용하여, 3층 흡수체가 제조되었다(도 8(b)). 간격재의 두께는 t1 = 1.8 mm, t2 = 2.8 mm, t3 = 1.3 mm로 조절하였다. FR-4 기판 두께를 포함하여 총 두께는 6.5 mm이다. 시험 샘플 크기를 50 cm × 50 cm 하여, 샘플 안에 83 × 83 단위 셀을 배열하였다. Three types of FSS (spiral, square loop, square patch) with geometrical and surface resistance close to optimal conditions were prepared by screen printing. A resistive ink material (carbon black paste) was passed through a mask pattern and printed on an FR-4 substrate having a thickness of 0.2 mm (Fig. 8(a)). Using a polyethylene foam as a spacer, a three-layer absorber was produced (Fig. 8(b)). The thickness of the spacer was adjusted to t 1 = 1.8 mm, t 2 = 2.8 mm, and t 3 = 1.3 mm. The total thickness including the FR-4 substrate thickness is 6.5 mm. The test sample size was 50 cm×50 cm, and 83×83 unit cells were arranged in the sample.
상기 실시예를 통해 제작된 시제품을 대상으로 자유공간 측정 시스템으로 반사손실을 측정하였다(도 8(c)). The return loss was measured by a free space measurement system targeting a prototype produced through the above example (FIG. 8(c)).
도 9는 반사손실 측정 결과이다. 6.0∼47.3 GHz 범위에서 10 dB 흡수 대역폭을 보여준다. 실험 샘플과 동일한 구조 및 표면 저항의 흡수체에서 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 공기 간격재에 비해 고유전 물질(FR-4)의 삽입 및 간격재 두께의 변화로 인해 대역폭이 감소되었으나, 실험 결과는 제안된 설계 방법의 타당성을 강력하게 검증한다.9 is a reflection loss measurement result. It shows a 10 dB absorption bandwidth in the range of 6.0 to 47.3 GHz. It was in good agreement with the simulation results in the absorber having the same structure and surface resistance as the experimental sample. Compared to the air spacer, the bandwidth is reduced due to the insertion of the high dielectric material (FR-4) and the thickness of the spacer, but the experimental results strongly verify the validity of the proposed design method.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타실시 예로 변경할 수 있으므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.On the other hand, the present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various modifications and applications not illustrated are possible within the scope of the present invention without departing from the technical idea of the present invention, as well as substitution and equal loss of components. Since it can be changed to an example, the contents related to the modification and application of the features of the present invention should be interpreted to be included within the scope of the present invention.
Claims (5)
각각의 패턴층을 일정 두께를 두고 이격시켜 적층하고, 그들 사이에 간격재를 제공하며,
상기 나선형 FSS는, 나선형 스트립 4개가 단위셀 내에 90°회전 대칭으로 분포하고, 각각의 스트립은 코너에서 정사각형 패치로 종단되며,
각각의 나선형 스트립은 두가닥이 접힌 스트립이 시계방향으로 3번 굽힌 나선형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초광대역 전파흡수체. Each of the spiral FSS having the surface resistance, the looped FSS and the patched FSS is printed on the shorted dielectric substrate to form respective pattern layers,
Each pattern layer is laminated with a predetermined thickness and spaced apart, and a spacer is provided between them.
In the spiral FSS, four spiral strips are symmetrically distributed in a 90° rotation in a unit cell, and each strip is terminated with a square patch at a corner,
Each spiral strip is an ultra-wideband radio wave absorber characterized in that the two-stranded strip is composed of a spiral bent three times clockwise.
상기 간격재는 저유전율 경량 기판인 폴리에틸렌 폼인 것을 특징으로 하는 초광대역 전파흡수체.According to claim 2,
The spacer is an ultra-wideband radio wave absorber, characterized in that it is a polyethylene foam that is a low dielectric constant lightweight substrate.
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