PSO를 이용한 주파수 선택 구조 기반 인공 자기 도체 설계

홍익표(Ic-Pyo Hong),이경원(Kyung-Won Lee),육종관(Jong-Gwan Yook),조창민(Chang-Min Cho),전흥재(Hueng-Jae Chun) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.6

본 논문에서는 주파수 선택 구조를 기반으로 하는 인공 자기 도체 구조를 설계하기 위하여 최적화 알고리즘 중 하나인 particle swarm optimization(PSO) 기법을 이용하였다. 주파수 선택 구조로서 Jerusalem Cross를 갖는 인공 자기 도체의 등가 회로 모델에 PSO를 적용하여, 원하는 공진 주파수 대역을 갖는 최적의 설계값을 얻어낼 수 있음을 확인하였다. 우선 유도한 등가 회로 모델로부터 공진 주파수와 반사 계수 위상 특성을 구하여 상용 소프트웨어로 얻은 값과 일치하는 것을 확인하여 본 논문의 유효함을 확인하였으며, 이로부터 원하는 공진 주파수에 대해 최적화 과정을 통하여 설계 파라미터를 추출하였다. 본 논문에서 유도한 최적화 과정을 이용한 주파수 선택 구조 기반 인공 자기 도체 구조 설계 방법을 이용하여 여러 다른 종류의 주파수 선택 구조 형태를 갖는 인공 자기 도체 구조뿐만 아니라, 인공 자기 도체 구조를 이용한 소형 안테나 접지면 설계 등 마이크로파 회로 설계에 유용하게 사용할 수 있다. In this paper, particle swarm optimization(PSO) is applied for the design of frequency selective surface based artificial magnetic conductor. An equivalent circuit model for this artificial magnetic conductor(AMC) with Jerusalem Cross arrays was derived and then PSO was applied for obtaining the optimized geometrical parameters with desired resonant frequency. The resonant frequency and the reflection phase characteristics from the optimization were compared to the results from commercial software for verifying the validity of this paper. The procedure presented in this paper can be applied to design the AMC with different frequency selective surface and also can be used for the design of microwave circuits like the AMC ground planes.

유한크기 FSS의 곡률효과에 따른 주파수 특성 해석

홍익표,전흥재,이명건,정용식,Hong, Ic-Pyo,Chun, Heung-Jae,Lee, Myung-Gun,Jung, Yong-Sik 한국군사과학기술학회 2012 한국군사과학기술학회지 Vol.15 No.6

In this paper, we have analyzed the curvature effects of the finite FSS(frequency selective surface) using the 3-D method of moment using the BiCGSTab algorithm as an iterative method. To validate the analysis method in this paper, we compared the RCS(radar cross section) of PEC(perfect electric conductor) sphere with theoretical results and it shows well agreements. The tripole slot FSSs which have many application in military were selected for the investigation of curvature effect and RCS as a frequency characteristics were observed with the variation of the curvature rate. Simulation results shows that curvature effect can significant effect the passband frequency and bandwidth of FSS. We suggest that the curvature effect must be considered at the stage of design FSS application like FSS radome.

2D 원통형 좌표계를 위한 FDTD 방법에서 UPML과 Liao 흡수경계조건의 비교

홍익표,Hong, Ic-Pyo 한국정보통신학회 2007 한국정보통신학회논문지 Vol.11 No.6

본 논문에서는 2D 원통형 좌표계 구조를 해석하기 위한 전자기 수치 해석 방법 중 하나인 시간영역 유한차분법(FDTD)에서 필요한 흡수경계조건으로 UPML과 Liao 흡수경계조건을 비교하였다. 일반적인 2D 직각 좌표계에서는 UPML의 성능이 Liao의 흡수경계조건보다 우수하지만, 본 논문에서 가정한 2D 원통형 좌표계에서는 Liao에 의해 제안된 고유의 흡수경계조건이 UPML과 수정된 Liao 흡수경계조건보다 우수한 것으로 나타났다. 원통형 좌표계는 축에 대해서 대칭이기 때문에 3D 구조를 2D 구조로 가정할 수 있다는 점에서 안테나를 비롯한 다양한 마이크로파 회로의 특성해석에 널리 사용될 수 있는데, 정확한 수치해석 결과를 얻기 위해서 다양한 구조에 대한 흡수경계조건들의 비교와 검증이 필요하다. In this paper, the comparison between UPML and Liao's absorbing boundary condition in the FDTD(Finite-Difference Time-Domain) method was performed for the analysis of the 2D cylindrical coordinate system. Generally, it is known as the absorbing characteristics of the UPML is bro than Liao's absorbing boundary condition in the 2D rectangular coordinate. The simulation results in this paper showed that Liao's original absorbing boundary condition is better than other two absorbing boundary conditions, Liao's modified condition and UPML. We concluded that more numerical, theoretical studies, simulations and verifications for various absorbing boundary conditions will be needed to get more accurate results for the design of useful 2D cylindrical microwave circuits.

Cagniard-de Hoop 방법을 이용한 시간영역 전파경로 손실 계산

홍익표(Ic-Pyo Hong) 한국정보기술학회 2013 한국정보기술학회논문지 Vol.11 No.4

In this paper, we derived and calculated the path loss of radio propagation with the use of the Cagniard-de Hoop method, which is one of time domain analysis method in electromagnetics. Cagniard-de Hoop method was proposed to analyze the time domain electromagnetic phenomena of the multilayer medium without dispersion. Transient responses in time domain between the base station and mobile are simulated with the assumption of perfect electric conductor for ground plane and vertical electric dipole antenna for base station. We also presented the radio propagation loss of free space with the ground for the prediction of channel fading characteristics. The proposed method can be used for the theoretical path loss prediction of wireless communication network design.

고차모드 시간영역 유한차분법을 이용한 원통형 메타물질 Slab의 해석

홍익표,Hong, Ic-Pyo 한국정보통신학회 2010 한국정보통신학회논문지 Vol.14 No.1

본 논문에서는 고차모드 시간영역 유한차분법(FDTD)을 이용하여 원통형 메타물질 Slab의 주파수 영역 특성을 정확하게 구하는 방법을 연구하였다. 메타물질의 해석방법에는 분산매질 FDTD방정식이 가장 광범위하게 사용되는데 주파수 분산특성을 갖는 유전율과 투자율 모델을 가정하기 때문에, 주파수 응답특성을 구하기 위해서는 주파수 영역에서 차분방정 식을 전개해야 한다. 본 논문에서는 고차모드 FDTD 방법을 유도하여 기존의 분산매질 FDTD 방법과 비교하여 유전체물질에서는 동일한 결과를 얻을 수 있지만 메타물질 해석에서는 오차가 발생을 한다는 것을 확인하였다. 원통형 메타물질 Slab을 해석하기 위해서 고차모드 FDTD 방법을 이용하면 계산오차를 줄일 수 있고 정확한 주파수 특성을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법을 사용하면 메타물질을 이용한 다양한 회로구조에 대하여 정 확한 주파수 특성을 얻을 수 있다. In this paper, the higher order FDTD(Finite-Difference Time-Domain) method is used to obtain the frequency response characteristics of the cylindrical metamaterial slab. FDTD method is one of strongest electromagnetic numerical method which is widely used to analyze the metamaterial structure because of its simplicity and the dispersive FDTD equation which has the dispersive effective dielectric constant and permeability are derived to analyze the metamaterials. This derived dispersive FDTD equation has no errors in analyzing the dielectric materials but there are some time and frequency errors in case of analyzing the metamaterials. We used the higher order FDTD method to obtain the accurate frequency response of the metamaterials. Comparisons between the dispersive FDTD method and the higher order FDTD method are performed in this paper also. From the results, we concluded that more accurate frequency response for various metamaterials applications can be obtained using the proposed method in this paper.

반파장 다이폴 안테나의 시간영역 과도응답을 이용한 전파경로손실 특성

홍익표(Ic-Pyo Hong) 한국정보기술학회 2013 한국정보기술학회논문지 Vol.11 No.5

In this paper, we analyzed the radio propagation path loss for the vertical half-wavelength electric dipole antenna over the perfect electric conductor(PEC) ground plane using the transient electromagnetic response in time domain. Electromagnetic response of dipole antenna was derived from the electromagnetic analysis in frequency domain and the electromagnetic response in frequency domain transformed into the transient response in time domain. Using the simulated results, we calculated the transient response in time domain for the height of transmitted dipole and the distance between transmitting and receiving antenna and obtained the path loss characteristic. The results of this paper can be applied to the propagation channel characteristics in time domain and surface radar applications.

영역분할법을 이용한 2차원 유한차분 시간영역법 해석

홍익표,Hong, Ic-Pyo 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.5

본 논문에서는 영역분할법을 이용한 2차원 유한차분시간영역법을 제안하였다. 영역분할법은 전체 해석구조를 분할하여 해석하는 수치해석방법으로 본 논문에서는 영역분할법 중 Schur complement 방법을 적용한 유한차분 시간영역법을 구현하고 시뮬레이션 모델로 2차원 해석구조를 설정하고 사각형의 도체에 입사하는 전자파의 산란특성을 해석하였다. 2차원 해석구조를 4개의 영역과 8개의 영역으로 각각 나누어 전자파특성을 계산하였고, 제안한 해석방법의 유효함을 입증하기 위해 일반적인 전체영역에 대한 2차원 유한차분 시간영역법의 해석결과와 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였다. In this paper, two-dimensional(2-D) Finite Difference Time Domain(FDTD) method using the domain decomposition method is proposed. We calculated the electromagnetic scattering field of a two dimensional rectangular Perfect Electric Conductor(PEC) structure using the 2-D FDTD method with Schur complement method as a domain decomposition method. Four domain decomposition and eight domain decomposition are applied for the analysis of the proposed structure. To validate the simulation results, the general 2-D FDTD algorithm for the total domain are applied to the same structure and the results show good agreement with the 2-D FDTD using the domain decomposition method.

FSS 단위셀 배열구조에 따른 구형 주파수 선택 구조의 RCS 특성비교

홍익표,이인곤,Hong, Ic-Pyo,Lee, In-Gon 한국전기전자학회 2012 전기전자학회논문지 Vol.16 No.4

본 논문에서는 레이더 단면적(RCS, Radar Cross Section)을 감소시키기 위한 전자파 구조로서 십자형 다이폴 슬롯을 원소로 가지며 다른 배열형태 구조를 갖는 구형 주파수 선택적 표면(FSS, Frequency Selective Surface) 구조의 전파특성을 해석하였다. 유한크기와 곡면형상을 갖는 구형 주파수 선택적 표면 구조의 주파수 특성을 해석하기 위해 RWG 함수를 적용한 3차원 모멘트법을 사용하였으며 반복법 중 하나인 BiCGSTab(Biconjugate Gradient Stabilized) 알고리즘을 적용하여 해석시간의 효율성을 개선하였다. 1m 직경을 갖는 완전도체(PEC, Perfect electric conductor)의 구에 대한 이론적 해석결과인 Mie의 RCS 특성과 비교 검증하여 제안한 해석 알고리즘의 유효함을 입증하였다. 구형 주파수 선택적 표면 구조에서 슬롯 성분의 배열 방법에 따른 RCS 변화를 관찰하여 비교하였으며, 곡면형상의 주파수 선택구조 설계시 배열의 방법도 RCS 특성에 중요한 변수가 될 수 있음을 확인하였다. In this paper, we analyzed the electromagnetic characteristics of the spherical frequency selective surface with different arrangement of crossed dipole slot elements for reducing the RCS(radar cross section). The three dimensional MOM(method of moment) with RWG basis is used to analyze the proposed structure. To reduce the simulation time, we applied the BiCGSTab(Biconjugate Gradient Stabilized) algorithm as an iterative method and presented the comparison results with Mie's theoretical results for PEC sphere to show the validity of this paper. From the simulation results, the different arrangement of elements array showed the difference RCS that cannot be negligible. The arrangement method of element in frequency selective surface will be one of variables for the design of curved frequency selective structures.

시간영역에서 수직 다이폴의 전파경로손실 특성 해석

홍익표,Hong, Ic-Pyo 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.7

본 논문에서는 시간영역에서 완전도체 접지평면 위 수직 전기 다이폴에서 방사되는 전자기해석을 통해 전파의 거리에 따른 전파경로손실을 해석하였다. 자유공간에서 수직 전기 다이폴의 해석은 시간영역과 주파수영역에서 많은 연구가 이루어졌으나 본 논문에서는 특히 접지면 위 수직 다이폴을 기지국으로 가정한 전파경로손실특성을 시간영역에서 해석하였으며 접지면의 영향으로 나타나는 근접장의 위치변화와 모바일에서 수신되는 과도응답을 관찰하였다. 본 논문의 결과는 지표면 레이더 및 신호처리 분야에 응용될 수 있을 것이다. In this paper, we analyze the radio propagation path loss characteristics for the vertical electric dipole radiation over the perfect electric conductor(PEC) ground plane. Most research have been performed about the electromagnetic analysis of vertical electric dipole in free space for time domain or frequency domain. But this paper present the radio propagation path loss over PEC ground plane in time domain under the assumption of the vertical electric dipole as a base station. From the simulated results, the ground plane effect can change the location of near field from transmitting antenna and the transient responses at mobile are calculated. The results of this paper can be applied to surface radar or signal processing applications.

2D-FDTD 방법을 이용한 메타물질 Slab의 주파수 영역 특성

홍익표,Hong, Ic-Pyo 한국정보통신학회 2008 한국정보통신학회논문지 Vol.12 No.7

본 논문에서는 2차원 시간영역 유한차분법(2D-FDTD)을 이용하여 메타물질(Metamaterial) Slab의 주파수 영역 특성을 구하는 방법을 연구하였다. 일반적으로 메타물질의 해석 방법에는 FDTD가 가장 광범위하게 사용되고 있는데 주파수 분산특성을 갖는 유전율과 투자율 모델을 가정하기 때문에, 정확한 주파수 응답특성을 구하기가 힘들다는 단점이 있다. 본 논문에서는 2차원 구조치 메타물질 Slab에 이미 광대역 특성을 갖는 가우시안 펄스와 제한된 대역폭 특성을 갖는 m-n-m 주기를 갖는 Sine 입력펄스를 각각 인가하여 주파수특성으로서 산란계수를 구하는 방법을 제안하고 비교하여 제한된 대역폭에 대한 주파수 특성 결과를 제시하였다. 본 논문에서 제안한 방법을 사용하면 메타물질을 이용한 다양한 회로구조에 대하여 제한된 대역폭에 대한 주파수 특성을 얻을 수 있다. In this paper, the scattering parameters of the metamaterial slab are obtained using the 2D FDTD(Finite-Difference Time-Domain) method. FDTD method is one of strongest electromagnetic numerical method which is widely used to analyze the metamaterial structure because of its simplicity. But it is very difficult to obtain frequency response of metamaterial itself because frequency dispersive model such as Lorentz, Drude model are used in FDTD. We used the well-known m-n-m cycle sine pulse to obtain the frequency response of the metamaterials. Comparisons between the wideband Gaussian input pulse and band-limited m-n-m cycle sine pulse are performed in this paper also. From the results, we concluded that the scattering parameters in frequency domain can be obtained using specific input pulse in FDTD even if the response has valid only for limited bandwidth.