A Study on the FDTD method using Periodic Boundary Condition for PBG Performance Analysis

PBG 구조 성능 해석을 위한 주기경계조건의 FDTD 적용연구

It is difficult to design accurately the bandgap of metamaterial depending on metamaterial pattern and array configuration. In this paper, we propose a design method for the wanted bandgap frequency using any metamaterial pattern in 2 dimensional array. Metamaterial structure is consisted of periodic array. Therefore the calculation area in FDTD(finite difference time domain) method can be reduced by applying the periodic boundary condition to 2-D metamaterial array. The method for design and calculation the L and C values by using 2-D is also considered. So it can be designed more accurately and rapidly. For example, we designed metamaterial square pattern array in 5 GHz, and compared with the 1-D metamaterial pattern using analysis method in microstrip line. As a result, we found that the accuracy of this proposed method can be incresed to 14.7%.

PBG 구조의 메타물질 설계시 패턴 형태와 배열 구조에 따른 금지대역(bandgap)을 정확하게 설계하기 어려운 문제가 있다. 본 논문에서는 2차원 배열구조로 어떤 모양의 패턴에 대해서도 빠르고 정확하게 원하는 금지대역을 설계할 수 있는 방법을 제안한다. 2차원 평면상의 메타물질 구조는 주기배열로 이루어져 있기 때문에 FDTD 수치해석 방법에 주기경계조건을 부여함으로서 계산영역을 줄였다. 또한 각 패턴이 갖는 L, C 값을 2차원적으로 고려하여 계산하였기 때문에 보다 정확한 설계가 가능하였다. 5GHz 대역에서 정사각형 패턴을 갖는 메타물질을 설계하여 기존의 마이크로스트립 선로를 이용한 1차원 메타물질 해석 값과 비교하였을 때 정확도가 평균적으로 14.7% 향상됨을 확인할 수 있었다.