THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Sep.; 27(9), 791 799. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.9.791 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) X-Band Design of the Reconfigurable Frequency Selective Surface for X-Band Applications with Improved Isolation 이인곤 박용배 전흥재 김윤재 홍익표 In-Gon Lee Yong-Bae Park* Heung-Jae Chun** Yoon-Jae Kim*** Ic-Pyo Hong 요약 X-, (frequency selective surface). FSS Four-legged loaded, Four-legged loaded ON/OFF,, ON/OFF. FSS WR-90. Abstract This paper presents the design of reconfigurable frequency selective surfaces for X-band bandpass operation with improved isolation. The proposed reconfigurable FSS is composed of a four-legged loaded element, a inductive stub and a bias grid. The PIN diode is located between the four-legged loaded element and the stub, which can control the frequency response of reconfigurable FSS by ON/OFF state. By adjusting the length of the stub, the desired bandpass frequency and the improved isolation between ON and OFF state can be obtained. For validation of simulated results, we have carried out transmission characteristic measurements using rectangular waveguide of WR-90. The measured results are in good agreements with the simulated results. Key words: Reconfigurable Frequency Selective Surface, Four-Legged Loaded Element, Isolation, Transmission. 서론 (unit cell), [1]. (FSS: Frequ-. (Department of Information & Communication Engineering, Kongju National University) * (Department of Electrical & Computer Engineering, Ajou University) ** (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University) *** (Agency for Defense Development) Manuscript received April 27, 2016 ; Revised June 23, 2016 ; Accepted September 7, 2016. (ID No. 20160427-049) Corresponding Author: Ic-Pyo Hong (e-mail: iphong@kongju.ac.kr) c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved. 791
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 9, Sep. 2016. ency Selective Surface), [2] [4]. FSS,.,,,,, [1]. FSS FSS,,,. FSS [5], [6], [7] (RCS: Radar Cross Section) [8]. FSS,, [9], (Reconfigurable-FSS). FSS MHz THz,,,,,,.,, [9],[10]. FSS,,.,, [11],[12]. FSS,,,,,. RF, [10],[13]., (PIN), RF MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems),,.,,, [14] [22]. 792
X-Band, (+V), (0 V) X- Four-legged loaded FSS. FSS, [14] [22], [15],[16],[22], [20],[22],.,,. FSS ON/OFF X- C-,.. 재구성 FSS 구조의설계 FSS Four-legged loaded, (Via hole), Π. FSS (RF choke, resistor),,, [10]. ANSYS HFSS Floquet,,,. FSS 1(a) (b),, 1. X- ON/OFF MACOM MA4PBL027, 1 (c) 1. 0.5 mm, (ε r) 3.5, (tanδ) 0.0018 Taconic RF-35, 0.3 mm. FSS, TE, TM, (0 ) 15, 30. TE FSS 2(a), TM 2(b), Π L 5, 2(c). FSS 표 1. FSS Table 1. Design parameters & equivalent values of PIN diode. Classification Parameter Value Parameter Value Dimensions PIN diode L 1 7.62 mm L 5 1.96 mm L 2 6.22 mm W 1 0.5 mm L 3 6.22 mm W 2 0.3 mm L 4 3.26 mm W 3 0.4 mm L D 0.15 uh R F 0.05 Ω C R 0.03 pf R R 100 kω 793
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 9, Sep. 2016. 윗면과 아랫면 (a) TE mode (a) (a) Top and bottom view (b) TM mode 측면 (b) (b) Side view 다이오드 등가회로 (c) (c) Equivalent circuit of PIN diode 그림 1. 제안된 재구성 FSS의 단위구조와 다이오드 등가 회로 재구성 (c) Parametric analysis 구조의 계산된 투과 손실 결과 Fig. 1. Designed reconfigurable FSS and equivalent circuit of PIN diode. 그림 2. FSS Fig. 2. Simulated transmission characteristic of reconfigurable FSS. 결과로부터 입사파의 수직 입사를 기준으로 공진 주파수 는 다이오드의 단락 상태에서 9.98 GHz, 3 db 대역폭은 1.41 GHz, db 794 개방 상태에서 공진 주파수는 6.29 GHz, 3 대역폭은 1.68 GHz으로 약 3.61 GHz의 동작 주파수
X-Band (a) -10 GHz (a) ON-10 GHz (b) -10 GHz (b) OFF-10 GHz 표 2. L 5 Table 2. Transmission characteristics for variation of parameter "L 5". L 5 [mm] f ON [GHz] f OFF [GHz] f offset [GHz] Isolation (f ON-f OFF) (db) 0.6 10.2 7.24 2.96 10.35 1.0 9.99 6.98 3.01 12.02 1.4 9.97 6.69 3.28 15.47 1.8 9.96 6.40 3.56 21.74 2.2 9.88 6.12 3.76 36.32 (c) -6 GHz (c) ON-6 GHz (d) -6 GHz (d) OFF-6 GHz 그림 3. FSS Fig. 3. Induced current distribution of designed reconfigurable FSS., (0 30 )., 10 GHz, 6 GHz, 3(a) (d)., 3(a), (10 GHz). 3(d) Π, (6 GHz). 3(b), (c), (10 GHz, 6 GHz),., (10 GHz) L 1,, (6 GHz) L 5., L 5 2. L 5 0.6 2.2 mm OFF 7.24 GHz 6.12 GHz, L 5. L 5, (2.96 3.76 GHz). FSS, 3., FSS,,.,, (TE, TM) (0 30 ). Beam Lead MACOM MA4-795
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 9, Sep. 2016. 표 3. 재구성 FSS 구조에 대한 제안된 구조와 선행 연구 의 성능 비교 Table 3. Comparisons between the proposed structure and previous studies for reconfigurable-fss. Ref. Techniques [15] PIN diode [16] Varactor [18] PIN diode Bias circuit config. 2-ind. bias Bias grid with inductive pad 2-ind. bias [19] PIN diode 1-parallel bias [20] PIN diode 1-series bias with 3-L, 1-R [21] PIN diode 1-parallel bias [22] PIN diode 1-series bais with 3-L Operating freq. (GHz) Stability Pol.1) Angle2) 8.0 10 TE only 0 45 2.5 5.0 TE, TM 0 45 10 12 4 8 1.0 12 1.5 8.0 6.0 10 1.8 2.5 TE only - TE only - TE only - TE only - This PIN diode 1-parallel bias paper 1) Polarization, 2) Angle of incident wave. 제작된 재구성 (a) FSS (a) Fabricated reconfigurable FSS TE, TM 0 30 TE only 0 45 과 Taconic RF-35를 사용하여 제작하였다. 도파관 내경 크기 22.86 mm 10.16 mm에 맞추어 FSS의 단위구조 를 1 3 배열하였으며, 실험의 편의성을 위해 WR-90 사이 즈 41.4 mm 41.4 mm에 맞추어 시료를 제작하였다. 제작 된 재구성 FSS 구조의 외형을 그림 4(a)에 나타내었으며, X-대역(8 12.5 GHz)에서 사용가능한 구형 도파관 WR90를 사용하여 투과 손실을 측정하였다. 그림 4(b)와 같 이, 구형 도파관 WR-90 중심에 제작한 FSS 시료를 위치 시키고, 전원을 인가하여 다이오드 상태에 따라 주파수 응답을 관찰하였으며, 수직 입사하는 입사파에 대하여 측 정된 투과 계수 결과를 그림 5에 나타내었다. 측정 환경을 고려하여 주파수 가변 폭이 넓어짐에 따 라 단락, 개방 상태에서의 투과 주파수 격리도가 커지는 경향을 이용, 주파수 격리도에 초점을 맞추어 실험하였 다. 측정결과와 계산결과의 비교를 위해 무한한 주기구조 를 가정한 Floquet 모드 해석이 아닌 도파관 모드 해석을 통해 얻은 결과와 측정 결과를 비교하였다. 측정 결과로부터, 핀 다이오드 단락 상태에서 동작 주 파수는 9.762 GHz에서 1.54 db의 투과 손실을(계산값: PBL027 796 측정 환경 (b) (b) Measurement setup 제작된 재구성 구조와 측정 환경 그림 4. FSS Fig. 4. Fabricated reconfigurable FSS and measurement environment. 투과 손실 측정 결과 그림 5. Fig. 5. Measured transmission characteristic using waveguide.
X-Band 0.84 db @ 9.87 GHz), 3 db 380 MHz ( : 725 MHz), (0 V) 14.5 db 12.98 db.. (5 25 db), ( 1 10 db), 10 db, 1.54 db [14] [16].. 결론 X- FSS,. Four-legged loaded, X-,,.,, 9.98 GHz FSS, WR-90. 9.762 GHz 12.98 db,.. References [1] B. A. Munk, Frequency Selective Surface: Theory and Design, John Wiley & Sons, 2005. [2] C. G. M. van't Klooster, A. Pacheco, C. Montesano, J. A. Encinar, and A. Culebras, "Reflect-array sub-reflector in X-Ka band antenna", 2013 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), vol. 2, pp. 669-672, 2013. [3] T. Kan, K. Matsumoto, and I. Shimoyama, "Nano-pillar structure for sensitivity enhancement of SPR sensor", IEEE International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pp. 1481-1484, 2009. [4] F. Costa, A. Monorchio, "A frequency selective radome with wideband absorbing properties", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 6, pp. 2740-2747, 2012. [5] L. Sun, H. Cheng, Y. Zhou, and J. Wang, "Broadband metamaterial absorber based on coupling resistive frequency selective surface", Optics Express, vol. 20, no. 4, pp. 4675-4680, 2012. [6] E. Arnaud, A. Kanso, T. Monediere, D. Passerieux, M. Thevenot, E. Beaudrouet, C. Dossou-Yovo, and R. Noguera, "Inkjet printing of frequency selective surfaces on EBG antenna radome", 6th European Conference on Antennas Propagation(EuCAP), pp. 2693-2696, 2012. [7] H. G. Sung, K. W. Sowerby, and A. G. Williamson, "Modeling a low-cost frequency selective wall for wireless-friendly indoor environments", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 5, no. 1, pp. 311-314, 2006. [8] C. Sudhendra, A. R. Madhu, A. C. R. Pillai, R. Kark, and T. S. Rukmini, "A novel ultra wide band radar Absorber based on hexagonal resistive patch FSS", In Applied Electromagnetics Conference (AEMC), pp. 1-2, 2013. [9] S. V. Hum, J. Perruisseau-Carrier, "Reconfigurable reflectarrays and array lenses for dynamic antenna beam control: A review", IEEE Trans. Antennas & Propagation, vol. 62, no. 1, pp. 183-198, 2014. [10] J. P. Turpin, J. A. Bossard, K. L. Morgan, D. H. Werner, and P. L. Werner, "Reconfigurable and tunable metamaterials: a review of the theory and applications", 797
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격리도가 향상된 X-Band 재구성 주파수 선택 표면구조 설계 전흥 재 년 1994년: Northwestern University 기계공학과 (공학박사) 1994년 1997년: Northwestern Uniersity 기 계공학과 (Post Doc.) 1997년 현재: 연세대학교 기계공학과 교 수 [주 관심분야] 레이돔 설계, FSS 구조 해 1990 석 김윤 재 홍익 표 년 월 연세대학교 전자공학과 (공학 사 년 월 연세대학교 전자공학과 (공학 석사 년 월 연세대학교 전기컴퓨터공학 과 공학박사 년 월 년 2월: 삼성전자 무선 사업부 책임연구원 2006년 2월 2007년 2월: Texas A & M University, Visiting Scholar 2012년 2월 2013년 2월: Syracuse University, Visiting Scholar 2003년 3월 현재: 공주대학교 정보통신공학부 교수 [주 관심분야] 전자기 수치 해석, 주파수 선택구조, EMI/EMC 1994 2 : ) 1996 2 : ) 2000 2 : ( ) 2000 3 2003 년 8월: 서울대학교 기계항공공학부 공학박사) 년 9월 2012년 3월: 서울대학교 정 밀기계설계공동연구소 선임연구원 2012년 4월 현재: 국방과학연구소 제7기 술연구본부 3부 [주 관심분야] 복합재 구조 설계/해석, 주 2011 ( 2011 파수 선택구조 799