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학위논문 상세정보

메타물질 기술을 이용한 가변 위상천이기/ 대역통과필터 및 흡수체 설계 원문보기

  • 저자

    김범규

  • 학위수여기관

    경희대학교

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    전자·전파공학과

  • 지도교수

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    54p.

  • 키워드

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13536753&outLink=K  

  • 초록

    2 GHz대역에서 varactor가 삽입된 메타구조 기반의 가변 위상천이기를 설계하였다. 메타구조 기반의 위상 천이기에 사용되는 직렬 커패시터 대신 전압으로 그 용량이 조절 가능한 varactor를 삽입하고, 사용되는 병렬 인덕터를 λ/4 변환기와 varactor로 대체함으로써 구현과 운용이 용이하게 하였다. 두 개의 varactor는 같은 전압으로 제어되며 메타 전송선의 정합 조건은 항시 만족되도록 설계된다. Varactor를 이용한 메타물질 위상 천이기는 기존의 위상 천이기와 비교하여 저가형이고, 크기가 작으며, 단순한 구조를 갖는 장점이 있다. 단일 셀의 위상 변이 범위는 -15゜~39.8゜이다. 단일 셀을 5개 연결하였을 때의 위상 변이 범위는 -66.25゜~179.28゜이고, 한 셀 당 약 49.1゜의 위상 범위를 갖는다. 반사손실은 10dB 이상으로 유효하다. 삽입손실은 0.5 dB 이하이다. 단일 셀 5개를 연결한 메타물질 위상 천이기의 크기는 약 19 mm × 41 mm이다. 이 구조에서 방사효과를 높이면 빔 스캐닝이 가능한 메타구조 누설파 안테나로 사용이 가능하다. 또한, 메타전송선 기반의 tunable 대역통과필터를 설계하였다. 두 개의 인버터를 사용함으로써, 대역통과필터의 병렬공진회로 부분을 직렬공진회로로 변환이 가능하다. 직렬 커패시터를 대체한 직렬 varactor는 모두 같은 전압으로 제어된다. 따라서, varactor의 같은 값으로 중심주파수가 제어될 수 있다. 인버터를 직렬 인덕터와 병렬 커패시터로 대체하고, 이 병렬 커패시터를 varactor로 대체하여 사용한다면 대역폭 제어도 가능하다. Tunable 대역통과필터의 크기는 17 mm × 5 mm이다. 대역폭을 100 MHz로 고정시켰을 때, 중심주파수 제어 범위는 198∼653 MHz(약 455 MHz)이다. 대역폭은 146 MHz까지 제어가 가능하다. 중심 주파수가 200 MHz일 때, 비대역폭의 제어범위는 14.1∼65.5 %이다. EM시뮬레이션과 측정 결과가 잘 일치하며, 통과대역에서의 삽입손실과 반사손실은 각각 3 dB이상, 10 dB이하로 유효하다. 마지막으로, X 대역에서 편파에 둔감한 메타 흡수체를 설계하였다. 육각형 구조의 메타 흡수체는 10 GHz에서 100 %의 흡수율을 갖는다. 또한, FWHM은 10.38 GHz에서 29.2 %이다. 사용된 저항은 80 Ω이다. 이 저항은 높은 흡수율과 동시에 넓은 대역폭을 갖게 한다. 흡수체의 크기는 7 × 7 × 1 mm3이다. 나팔 구조의 메타 흡수체는 10.9 GHz에서 99 %의 흡수율을 갖는다. 흡수율 90% 기준으로 흡수 대역폭은 EM 시뮬레이션과 측정에서 각각 8∼16.2 GHz (8.2 GHz), 8.6∼16.9 GHz (8.3 GHz)이다. FWHM은 EM 시뮬레이션과 측정에서 각각 6.3∼18.8 GHz (99.6 %), 6.7∼18.7 GHz (94.5 %)이다. 측정에 사용된 저항(1005 size)은 60 Ω이다. 흡수체의 크기는 5.6 × 5.6 × 2.4 mm3이다. 이 두 가지 흡수체는 모두 대칭구조를 갖기 때문에 편파에 둔감한 특성을 갖는다.


    This paper presents a varactor-loaded metamaterial phase shifter at 2 GHz. For this work, a shunt inductor required for a metamaterial unit cell is realized by a chip varactor and a quarter wave impedance transformer. The proposed phase shifter consists of five unit cells. The phase shifting range of the tunable metamaterial phase shifter is from -66.25°∼179.28°. The insertion loss is less than 0.5 dB and the return loss is more than 10 dB. The size of the proposed phase shifter is about 19 mm × 41 mm. Based on a varactor-loaded metamaterial-inspired transmission line, a compact tunable bandpass filter is designed. The proposed filter is composed of one unit cell, which corresponds to the third-order bandpass filter. The tunable bandpass filter is designed using only lumped-elements to save space and lower fabrication costs. The size of the proposed tunable BPF is only 17 mm × 5 mm, neglecting the feed lines and DC lines. The center frequency and bandwidth of the proposed bandpass filter can be controlled by varying the values of the series and shunt varactors. The range of the center frequency is from 198 MHz to 653 MHz with tunable bandwidth up to 146 MHz. The insertion loss is less than 3 dB and the return loss is more than 10 dB in the whole passband. A metamaterial absorber, insensitive to polarizations of incident waves, is designed using multiple resonances. The unit cell of the proposed absorber is composed of an electrically-driven hexagonal type resonator, a metallic back plane, and a substrate between them (single-layer). The absorption is 100 % at 10 GHz. The full width at half maximum (FWHM) is 29.2 % at 10.38 GHz (from 8.86 GHz to 11.9 GHz). The size of unit cell is 7 × 7 × 1 mm3. The other unit cell of the proposed absorber is composed of an electrically-driven trumpet type resonator, a metallic back plane, and a substrate between them (single-layer). The absorption is 99 % at 10.9 GHz. In term of more than 90 % absorption, the bandwidth in EM-simulation and measurement is respectively 8∼16.2 GHz (8.2 GHz) and 8.6∼16.9 GHz (8.3 GHz). The FWHM in EM-simulation and measurement is respectively 6.3∼18.8 GHz (99.6 %) and 6.7∼18.7 GHz (94.5 %). The used chip resistor value is 60 Ω (1005 size). The size of unit cell is 5.6 × 5.6 × 2.4 mm3. Due to symmetric geometry, these absorbers are insensitive to polarizations.


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