Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   12 ,  No.   3 ,  Decem ber   201 8 , p p.   1020~ 1029   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 2 .i 3 .pp 1020 - 1029          1020       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Ellip tical BandP assThre e Dimensi onal Fr eq uency   Selectiv e  Su rface  with Mu ltip le Transmissi on Zer os        Bi mal Raj D u tta 1 ,   Bi n od   Ku mar  Kana uj ia 2 ,   Chha ya  Da l el a 3     1 Depa rtment of  El e ct roni cs  &   C om m unic at ion,  A.N.A  Coll ege o f  Engi n ee ring   & Mana gement  Stu die s,  Ind i a   2 School  of  Com puta ti on al a nd   In te gra ti ve   sci enc e s ,   Jawaha r la l   Ne hru  Univer sit y ,   I ndia   3 Depa rtment of  El e ct roni cs  &   C om m unic at ion ,   J SS   Aca dem y   o f Tec hn ic a l Educ a ti on,   India       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J un   3 , 201 8   Re vised  Ju l   1 5 ,  201 8   Acce pte d  Aug   2 7 , 201 8       An  el li ptic  ban d  pass  respons e  thre e - d imensional   Freque nc y  Sele ctiv e   Surfac e  (3D  FS S)  is  designe d  f rom   a  single   un it   c el l   of  2D  a r ra y   of  tw o   shiel ded  m ic rost rip  li nes.   The   d esigne d  FS S  pro vide s  pseudo - el l ipt ic   band - pass  fre quency   r espon se  (5. 4  –   9. 6)  GH z  with  i ts  appl i ca t ion  in   lo ng - dista nc e  rad io  tele comm unic at ions  an d  spac e  com m unic at ions  etc.   Th e  four   tra nsm ission  ze ros  at   5. 4GH z,   9. 6GH z,   12. 4GH z  and  15GH z  provide s  wid e   out - of - band  fre q uency   rejec t ion.   The   3D  FSS  is  i ndepe nden t  of  the   var iations   in  the  in ci den t  angl e   of  th e  p l ane   wav e  up   to   60  degr ee.  E a ch  unit  c el l     is  a  combinat io n  of  two  shiel ded  m ic rostrip  lines  with  one  havi ng  an  a i r     gap  and  the   oth e r  one  hav ing  in  bet wee n  recta ng ula r  m et a ll i c  pl a te .   W hen  a   TE   pola r ized  p la ne  wav e  inci dent s  per pend icular   to  th e  per fec t  el e ct ri c  conduc tor  (PEC )  boundar y   wa lls   shiel ded  m ic ro strip  li nes,   it   res ult s  in  two  quasi - TE M  m odes  namel y   ai r  a nd  subs tra te   m o de.   The   3D  FS S  consists  of   m ult ipl e  resona t ors  with  a  m ult imode  ca vity   ha ving  num ber   of   propa gating  m odes.   The se  resona ti ng  m ode s  in  phase   prov ide   tra nsm ission  pole s  and  when  out  of   p hase   giv e  t ran s m ission  ze ros.  The   3D  FS S  struct ur e  is   sim ula te d  using   Ans y s  HF SS   software   with  i m prove d  per for m anc e  over   2DF S S,  for  m a n y   pr actical   ap pli c at ions  such   as  an te nna   sub - ref lector ,   rad om es  and  spa ti al fi lt ers .     Ke yw or d s :   Ell ipti c   Fil te rs   Fr e qu e ncy Sel ect ive  Surfa ce   Ra dio   wa ve pr op a gatio n   R eson at or s   Transm issi on  li ne  the or y   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights   reserv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Bim al  Raj  Du tt a ,   Dep a rtm ent o f El ect ro nics  & C omm un ic at io n,   A.N. A  Coll e ge  of E ng i neer i ng &Ma na gem e nt Studie s,   I nd i a .   Em a il :   br aj du tt a@g m ai l.co m             I.   INTROD U CTION     The  el ect r om a gn et ic   wav e s  a pp ea r  li ke   Fr e qu e ncy  sel ect ive  s urface  s pat ia l  filt ers  with  band  pass   or   band  st op  c harac te risti cs.  The y  hav e   bee n  t he   top ic   of  re se arch  f or  the  previo us   few  de cades  a nd  have  bee n  us e d  in m any p ract ic al  ap plica ti on s su c h  as s patia l fil te rs,  r ado m es, p olari z er,  ante nn a s ub - re flect or s etc   [1 - 3].   Trad it io nal  tw o - dim ension al   per i od ic   2D  F SS  str uctu res  wer e  desi gn e d  by  the  per i od ic   arr ay   c om bin at ion   of  un it   cel ls  wh ic h  wer e  c onstruc te d  by  ei ther  et ching   t he  sl ot s  fr om   the  con duct in g  plate s  or   by  pri ntin g  the  cond ucting  pa tc hes  over  t he   diele ct ric  la yer   [ 4 - 5].   T hes e  trad it ion al   t wo - dim ensional   per io dic  2D  FS S   structu re’s  sin gle  la ye r  suffe rs  f ro m   poor   fi lt ering   respo nse ,  poor  sel ect ivit y,  unsta ble  angular   r es ponse   an d  narrow  ba ndwi dth .   W it h  the   ad va nc e m ent  in  the fi el d  of  a nten na s  an d  c omm un ic at ion   it   becam e  desira ble  to   r eal iz e  thin   FSS  st ru ct ur es   to  ac hieve   hi gh  sel ect ivit y  a nd  sta ble  fr e qu ency  res ponse   unde r  diff e re nt  an gles  of  inci den ce .  Re qu irem ent  of  s uc h  a dv a nce d  FS S  str uctu r es  le ad  the  r es earch  t ow a rds  a  new   cl ass  of  FSS  str uctu res  cal led   three - dim ension al   FSS   f ro m   the  tra diti on al   2D   FSS   [ 6 - 7].   The  3D  FSS   c on ce pt  giv es  r eal iz at ion   of  c om pac t   and   high  pe rfo rm ance  FSS  struct ur es .  O n  casca ding  num ber   of   2D  FS S  la ye rs  with  in  betwee n  die le ct ric  sp aci ng  res ults   to  a  sign ific a nt  i m pr oved  filt ering   res pons e  [8 - 9].  T he  casca de d  2D  F SS  does  not  obta in  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Ell ipti cal BandPassT hr ee  D i men si onal F re qu e ncy  Select iv e Surface  wi th M ulti ple …  ( Bimal R aj  Du tt a )   1021   el li ptic  respon s e;   it   prov i des  t he  filt ering  res pons e   that  fo ll ow s   Butt er w ort h  or  C he bysh e v  functi on  du e   to  the   form ation   of  di rect - co up le d  r eso nators  [ 10 ] .   Pr act ic al   app li cat ion s  of  the  FSS  str uctu res   dem and s  sta bi li ty   in  the  var ia ti ons  of   an gula r  res pons e ,  wh e re  2D   F SS  struct ur es  s howe d  unsta ble  f reque ncy  respo ns e  f or   the   var ia ti ons i n  th e incide nce a ngle .   The  3D   FSS  struct ur es  ha ve  s how n  fa r  m or e  sta bili ty   in  the  fr e quency  r e sp onse  unde r  va riat ion s  i n  the  incide nce  a ng le .  In   C om par iso n  to  co nv entional  m ulti l ay er  2D   FSS  s tructu res,   3D   F SS  struc ture s  can  be  desig ne d  to  obt ai n  br oad out - of - band fre quen cy  r ejecti on  w i th the m ulti ple trans m issi on  z ero s .            (a)   (b)     Figure  1 .  (a ) 3 D  F SS u nit cel l sh ow i ng cr os s - co upli ng and  couplin g betwe en  the  tw o port s v ia  m ulti ple  resonato rs  t o o btain tra ns m iss ion  ze r os /p oles  and  ps e udo - el l ipti c respo ns e ,   (b) .   Eq uiv al e nt m od el  o f  an y  3D  FSS wit h  m ultip le  r es onat ors     Ell ipti c  filt ering   res ponse   in  3D   FSS   is  ach ie ved   with  the   increase  of  th e  le vel  of  cr oss - co upli ng   betwee n   the  re so na tor s  as  show n  in  Fi g ure   1( a )   w hich  we re  abse nt  in  ca scade d   previ ous  m ulti layer  2D   FSS   desig ns .   Ell i ptic  filt ering  res ponse   in  3D  F S S  desi gn  can   be   achieve d  with  the   hel p  of   t wo  ports  of  th e  unit   cel l  coupled   w it h  m or e  than   on e   res onat or  as  sho wn  in   F ig ure  1  (a)   [ 11 - 12] .   T he  c onc ept  of  3D  F SS   will   pro du ce  m ultip le   transm issio n  po le s/z er os  through  m ult i m o de  resonat or s .  Re cent  r esearch  in  3D  FSS  te chnolo gy  ha ve  bee n  ar ound   the  band - pass  or   ba nd - re j ect   structu res,   they   are   desig ned   with  the  unit   cel l  of   a   sing le   s hielded   m ic ro strip  wit h  a  short  via  hole   betwee n  m ic ro stri p  li ne  and   gro und  [ 12 - 13] .  The  desi gn e d  un it   cel l  of  th r ee - dim ension al   FSS  was  t he n  ge om et rically  m od ifie d  to  a dd  on  a n  e xtra   transm issi on   zero   i n  each  m od ific at ion .  T hus  m ax i m u m   three  transm issi on   zeros  hav e  bee n  obta ined  for  the   band - pass  3D   FSS  structu re  with  ps e udo - el li ptic   response  [ 14 - 15 ] .  I n  this  des ign   of  3D  F SS   four   tra ns m iss ion   zer os   with  band - pass  el li ptic re sp onse , a nd br oad f reque ncy  band re j ect ion  has bee n  stu die d.   Un li ke   the   pre vious  3D  F SS  structu res,  the   un it   cel l  of  the   3D  F SS   str uctur e   is  desig ned  an d  st ud ie d  with  tw o  sh ie l de d  m ic ro strip s  li nes  placed   par al le l  to  eac h  oth e r.   B oth   t he  m ic ro strip  l ines  are   co nne ct ed  to  their  res pecti ve   gr ou nd   th r ough  sho rt  via  and   a  recta ngular  m et a ll ic  plate   being   pla ced  one  over  ano t her   m ic ro strip  li ne .   The   de sig ned thr ee - dim ension al   FS S w it h  a  2 D   ar ray  ar ra ngem ent  of  double  s hield  m ic ro strip  li nes  place d  perpe nd ic ular,  to  s upport  t wo  quasi - TE M  m od es  na m el y  ai r  and  substrat e  m od es  [16].   Transm issi on   zero s  a re  intr oduce d  at   the  desired   fi nite  fr eq ue ncies  of  a  pass - ba nd  of   3.3 GH z  i n  the  C   fr e qu e n cy   ba nd  ( 4 - 8)   G Hz  and   X  f re qu e nc y  band  ( 8 - 12 )  G Hz  with  broa d  f reque nc y  band  re j ect ion.T his   i m pr oves the  s el ect ivit y of  th e operati ng  ba ndwidt h.       2.   RESEA R CH MET HO D   An y  3D  FS S  st ru ct ur e  is  re pr e sented  by  a n  e qu i valent  m odel   of   Fig ur e  1( b)   w hich  has  a n  e qu i val ent  m od el   of   t otal  ei gh t  resonat ors.  H ere  f our  re so na tor s   R 1 ,   R 2 ,   R 3   an d   R 4 reso na tor s  are   us ed  to   co nnect   i nput   port  an d  outp ut  port,  res on at ors    R a   an d    R b   are  c onnected  t o  the   input  port  only   and  res onat ors   R c and    R d   are   connecte d   to   the  outp ut   port  only .  Ever y  Re s on at or   def i nes  their  pr op a ga ti ng   m od e.   R 1 ,   R 2 , R 3   and   R 4 res on at or s   will   pro vid e   transm issi on  zeros/ pole s  at   their  res pe ct ive  res on a nt   fr e quencies.   The  add it io nal  tran sm issi on   zer os  will   be  pro vid ed  by  res onat or s   R a ,   R b ,   R c   and     R d   at   the  desire d  f requen ci e s .   These   ad diti onal   transm issi on  zer os   i ncr ease s  oper at ing  ba nd  wi dth  of  a   band - sto p  FSS ,  w hic h  im pr oves  t he   sel ect ivit y  of   a  band - pas s  FS S.  T he  pro duc ti on   of  the  des ired  nu m ber   of  tran sm issi on   zero s/ po le s  at   finite   fr e qu e ncies  ca n  be  res ulted   by  co ntr olli ng   the  num ber   of   res on at or s   and  their  res on a nces  t hat  m akes   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1020   –   1029   1022   transm issi on   z ero s   3D  FSS  structu res  m ore  ad van ta geou s  than   2D  FS S  str uctures  [ 14 ] .  2D  F SS  can  be   consi der e d  a  sp eci al   case  of   this  equ i va le nt  m od el   of   three - dim ension al   F SS  with  one  re so na tor  or   m od e  that  resu lt s i n  a si ngle  tra ns m issi o n  ze ro / po le   w hi ch  pr ov i des p oor fil te ring p e rfor m ance.             Figure  2( a ). Ba sic  unit  cell  o f   a 3D F SS     Figure  2(b ).   P r op a gatin g  m odes o f  a  basic  unit   cel l  of  a  3D  FS S       The  w orkin g  pri nciple  of  3D  FSS  can  be  re viewe d  by  sho wing  that  how   the  resonato rs   are  form ed.   As  s how n  i n  F ig ure  2( a )  we  hav e   a  basic  unit   cel l  that  is  us e d  as   a  bu il di ng   bl ock  f or  three - dim ensio nal  FS S   structu res.   Her e  a  plane  wav e  with  TE   po la rizat io n  ( el ect ric  fiel d)   or ie nted  perpe nd ic ular  to  t he   sh ie lde d  m ic ro strip  pat ch  incide nts  at   the  disco ntinui ty   of   ai r - to - m ic ro stri p  li ne,   two  pro pag at in g  m od es  nam e ly   ai r  and   s ubstrat e  m od es  are  cre at ed.   The se  m od e s  li nk   the   input  and   ou tpu t  ports  [ 6].   Du e  to  th e  wav e  pro pag at io n  within  tw o  guide d  m edia  (air  and   s ubstrat e) ,  m ic ro strip  li ne   su pp or ts  quasi - TEM   wa ves  i ns te a d  of   pure  T EM  wav e   [ 16 ] .   In  qu a si - TEM   m od e s  the  l ongitud i nal  wa ves  of   t he  fiel d  f or  the  ai r  a nd  substrat e   m od es o f  a m icr os t rip  li ne   exi st an d  these  are  m uch  sm aller th an  t he  tra nsv erse  wav e s [1 7] .          E l ≠ 0   , H l ≠ 0                   (1 a )                    | E l | ≪ | E t |   , | H l | ≪ | H t |                 (1b)     The  si gn al s  a r e  travell in g  th r ough  the   ai r  pa th  f ro m   p1   po rt  to  the   ot her   p2  port  at   l ow  fr e qu e ncies.  They p r ovide l ow - pa ss r es po ns e, as th e f re quency o f  ope ra ti on  incr ea ses these sig nal travel throug h  tw o  path s   (air  a nd   substr at e).  T he  s ub st rate  path   res on at or   will   al ways  res on at e  first  than  t he  ai r  pat h  res onat or  sin ce  the  gu i ded  wa vele ng t h  ( λ g )  of  the  su bst rate  path  is  le ss  than   the   ai r  pat h  ( λ 0 )  [ 14,  17] .  In  Fig ure  2(b )  of   ai r  a nd   su bst rate  pr opagati ng  m od es   of  the  basic  un it   cel l,  the  t wo  possibil it ie s  are  resu lt e d  (a)   t he  ge ne rati on   of  transm issi on   pole s  w hen  the   el ect rical   le ngth   of   a  re s onat or  bec om es   eq ual   to   π ,  ( b)   the   gen e rati on  of  transm issi on   zero s  due  to  th e   ph a se  dif fer e nc e  of   1800  between   t he  sig na ls  in  the  ai r  a nd  subst rate  pat h.   T hus  for  a  3D  FSS  basic  unit   cel l  structu re  as  s how n  in  Fi g ure  3,   w e  obta in  two  tra ns m issi on   pole s  a nd  a  sing le   transm issi on   z ero.  By   intr oduc ing   a  s hort  via  ho le   betwee n  the  m ic ro strip  li ne  an d  the  groun d  in  t he  de s ign e d  un it   cel l  of  F ig ur e   3(a)   an   inc rem ent  in  num ber  of  res on at or  (t hr ee   res ona tors)  was  obse rv e d  [14].  Furt her  a  rectan gu la r  m et al li c  plat e  a bove  the  m ic ro strip  li ne  i n  ai r  m edium   w as  inducte d  in   the  pr e vious  desig n  resu lt ed  i n  m or e  num ber   of   resonato rs  ( f our  resonato rs )   as  sh ow n  in  Fig ure   3( b) .   T his  increm ent  in  the   nu m ber   of   res onat ors  re su lt ed   in  the  i ncr em e nt  of  nu m ber   of  tra ns m issi on   ze ro s .  W it h  the   ad diti on   of  T  sh a pe  m et al l ic   plate   al ong  with  sm al l  ai r  gap   ab ov e  the  m ic ro strip  li ne  as  di scusse d  in  [14],  m axi m u m   three  transm issi on   z ero s   we re  a ch ie ved ,   on e   be low  t he  pass - band   an d  t wo  ab ove  the   pa ss - ba nd.   T hus  the   geo m et rical   m od i ficat ion s  i n  the  basic  unit   cel l  resu lt ed  i n  3D  FSS   str uctur e  t hat  sho we d  im pr ov em ent  in  the   sel ect ivit y, filter  re spo ns e  (p s eudo - el li ptic re sp onse )  a nd sta ble ang ular res pons e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Ell ipti cal BandPassT hr ee  D i men si onal F re qu e ncy  Select iv e Surface  wi th M ulti ple …  ( Bimal R aj  Du tt a )   1023         Figure   3( a ) .   U nit cel l of a  3D FSS st r uctu re   structu re   with  sh ort   via hole     Figu re   3(b ) .   U nit cel l of a  3D FSS st r uctu re  with s hort  via hole  with  only  shor t  via  hole  and Rect a ngula r  m et al l ic  p la te       2.1     St ru cture   Descripti on   A  3D  view  of  a  three  dim ension al   band - pas s  FSS  is  sho w n  in  Fig ure   4 ( a)  an d  Fig ure   4(b).  U nlike  the  tradit io na l 3D  FSS   str uctu res  the unit   cel l  of   t he  3D  FSS  desi gn e d  i n  t his  pa pe r  c on si sts  of  dual   m icr os t rip  li ne  placed  pa r al le l  to  each  oth er ,  each  place d  over  thei r  re sp ect ive  substr at e.  The  unit   cel ls  sh own  ab ove  in  Fig ure   3(a ) ,  ( b)  an d  discusse d  in  [14]  ha ve  be en  us e d  in   the  de sig ning  of  the  un it   cel l  for  the  ba nd - pa ss  3D   FSS  str uctu re  discusse d  i n  th is  pap e r.   T he  de sign e d  3D   FS S  struct ur e  is  a   2D   pe rio dic  arr ay   com bin at ion   of   du al   sh ie lde d m ic ro strip li ne s p la ce d  in  z  directi on v e rtic al ly .   The  a rr ay   of  F ig ure   4   is  a   c om bin at ion   of  4x4  unit   cel ls.  Her e   the   unit   c el ls  of   Fig ure   3  a re  placed   on e  a bove  the   oth er  to  desi gn   the  un it   ce ll   of   Fig ure   3.   The  unit   cel l   le ng th  in  the   y  directi on   is  2*h=  7.048m m ,  wh ic h  is  a  c om bin at ion  of  tw o  su bst rate  re gions  with  m ic ro stri p  li ne  place d  ov e r  them ,  on e   ai r   reg i on  an d  t he  oth e r  ai r   re gion  with  a   recta ngula r  m et al l ic   plate .  T he  le ngth  of  eac h  subs trat e  in  y  direc ti on   is   d=  1.5 24m m .  Un it   cel l/m ic r os trip  li ne  le ngth  in  z  direct ion   is  L=  10. 5m m .   Un it   cel l/su bst rate  le ngth  in  x  dir ect io n  is  b  =  5 m m .   The  su bs trat e  m ater ia l  us ed  in  this  desig n  is  Rog ers  RO 3003  with  a  di el ect ric    const ant  3.               (a)   (b)     Figure   4( a ) - ( b).  3D  view  of t he  Three - dim ension al   ba nd - pa ss FSS str uctu r e       The  m ic ro strip   li ne  width  in   x  directi on  is   w  =   3mm .  Tw o  s hortin g  via  of  diam et er  D  =  0.5m m   are   al so   incl ud e d  i n  the   unit   cel l  to  c onnect  t he  c entre o f  b ot h  t he  m ic ro strip  li nes  t o  thei r  re s pecti ve  gro unds.  T he  un it   cel l  rea pp ear  afte r  a  dist ance  of  “b”   in   x  directi on  a nd  “ 2*h”  i n  y  di recti on   i n  this   f or m a ti on   of  three  dim ension al   F SS  ar ray.  The  rectan gu la r  m e ta ll ic   plate   is  placed  in  a  way   to  def i ne  the  distance  betwe en  the  m et al l ic   plate   and  the  t wo  en ds   of  the  m ic ro strip   li ne.   Th ey   are  l3   =  5m m   and   l4  =  4mm .  Each  un it   cel l  is   hav i ng  a  P EC  bounda ry  wall   i n  x - z   pla ne.   The  T E  po la rized  plane   wa ve   in  z   directi on  will   be  i ncid ent  at   incom ing  po rt  1 (air to  m ic ro strip li ne disc onti nu it y) as  per  Fig ure   3(b ).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1020   –   1029   1024       (a)   (b)         Figure   5. Th re e - dim ension al   view o f  a  unit  cell  o f (a)  to p view  ( b) ,  ( c )  si de view       2.2    Eq uiv alen t  ci rcui t mo de l   The  desig ne d  t hr ee   dim ensio nal  ba nd - pass   FSS  unit   cel l  equ i valent  ci rc ui t  m od el   is  sho wn  in  belo w   Fig ure   6.   C a   &   C s   repr esent  e quivale nt  ca pacit or s   f or  the   ai r   to   m ic ro strip   li ne   disc onti nu it y  in  the   ai r   a n d  su bst rate  re gions   of  t he   desi gned   un it   cel l  re sp ect ively .   L s   is  use d  f or  the   e qu ivale nt  i nducto r  of  s hort   via.   The  ai r  re gion  with   the  re ct an gu la r  m et allic   plate  betwee n  t he  m ic ro   strip   pat ch  a nd  gro und  is  div i de d  int o  tw o  ref le ct in g  pat hs,  they   are  re presente d  by  tw o  s horted  tra nsm issi on   li nes  ( Z a , Θ l3 ) and ( Z a , Θ l4 ) .  T he  ot her   ai r  reg i on  is  re pre sented   by  a n  open - ci rc uited  t ran sm issi on   li ne ( Z a , Θ a ) .Both   the  sub strat e  re gions  of  the   unit   cel l   are r e presente d by tw o path s  of sam e ele ct ric al  leng th   Θ s / 2 and s a m e char act eri sti c i m ped ance   Z s .           Figure   6.   Eq ui valent circ uit  m od el  o f  t he u nit cel l for  3D  band - pas s FSS  w it h five  r es onat ors a nd fo ur  transm issi on  z ero s   Upper r eg io n   Bo tt o m   regi o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Ell ipti cal BandPassT hr ee  D i men si onal F re qu e ncy  Select iv e Surface  wi th M ulti ple …  ( Bimal R aj  Du tt a )   1025   The  c har act e ris ti c  i m ped ance f or  the   guide d  reg i on  outsi de  the  unit   cel l  wi th  ai r  is   Z o .  T her e are  total   five  res on at o rs   obta ined   as  c om par ed  to  t he  m axi m u m   fo ur   res on at or s   obt ai ned   i n  t he  previo us   desig ns  [ 14 ] .   These   res onat or s   are   ob ta ine d  when   a  plan e  wav e  (TE  pola rizat ion)  in ci den ts  on  the   ai r  to  m ic ro strip  li ne   disco ntin uity  an d t he fie ld  pro pag at es  thro ugh diff e re nt   re gi on s  of t he un it   cel l.     2.3    Resul t an d D isc u ssion   The  S catte rin g   par am et ers  si m ula te d  res ults  are  s how n  in   Fig ure  7.   T hes e  res ults  are   use d  to  a naly se   the b a nd - pass   char act e risti cs o f  the  desig ne d  3D   F SS   st ru ct ur e .           Figure  7.   S par a m et er r esults  us ing HF SS so ftwar e  for t he  t hree  dim ension a l band - pas s       Figure   7  re sul ts  con sist s  of  S1 1  (Reflect ion   Coe ff ic ie nt )  and   S 21  ( Transm issi on   Coef fici ent)   par am et ers  for   the  desig ne d  three  dim ension al   FSS  str uct ur e .  The  gr a ph   sh ows  four   t r ansm issi on   zer os   a t   5.4 G Hz,  9.6 G Hz,   12. 4GHz  and  15 GH z   f re qu e ncies.   The s e  transm issi on  zer os   c on sist   of   S21  (T ran s m issi on   Coef fici ent)  at   - 41dB, - 29. 4d B,  29 . 8dB  an d  52dB.  This  f ourt h  transm issio n  ze ro   in  the   op er at ing   f re quency  band  pro vid e s  wide  out  of  ba nd  re j ect io n  [14].  T he  gr ap h  sh ows   one   tra ns m issi on   pole   at   f reque ncy  8GHz   with  S 11  (Refl ect ion   C oeffici ent)  of  - 25dB   wh ic h  pro vid e s  hi gh  sel ect iv it y.  The  Fi gure   8  sho ws  in   (a ),   (b),   (c)   a nd   (d)  pa r ts,  the  si m ulate d  f reque ncy  r esp on ses  f or   T E  po la risat ion   incident  wav e  at   var io us   a ng l es  of   incidenc e.  It  c an  be  see n  that   S1 1  (Reflect ion   C oeffici ent)   and   S 21   (Tr a nsm issi on   Coef f ic ie nt)  par am eter s  at  diff e re nt  res on ance  fr e quenci es  are   dec reasi ng  with   the   in crease  of  an gl e  of  inci den c e  at   200,  400,  a nd  60 0   resp ect ively .  T he   Fi gure   8(d)   sh ows  t hat  f re qu e ncy  re spo nse   is  not  ha ving  a ny  transm issi on   ze r o  an d  po le   of   desig ne d  FSS .   These  ty pes  of   3D   FSS  ca n  be  us e d  as  pass  band  s pat ia l  filt ers  al lowing  the  desir ed  ba nd  sign al s  with  re du ce d ra dar  c r os s secti on of a nten na desig n wh ic h  is  ver y i m po rtant in ste al th tech no l ogy.   A  3D  F SS  is  de sign   a nd  anal yse d  with  dual   m ic ro   strip  pa tc h  with  s ubstr at e  and   rectan gu la r  m et a l   plate   with  via  ho le   sho rted  in side  bo t h  the  su bs t rates.  The  wav el e ng t h  of  sign al s  in  the  s ub st rate  path  is  lower  than  that  in  a ir   [14,   17 ] .  T he  structu re  is  an al yse d  us in g  e qu i valent  ci rc ui t  app r oac h  an d  desi gn e d  in  HF S S  so ft war e .     2.4   Derivin g t he S par ame te rs for  th e  3D  ba n d - p as s  FS S   The desig ne d u nit cel l FSS o f 3D   ba nd - pass  i n  Fi gure  5( a )  is  obtai ned b y  c om bin ing  tw o u nit cel ls i n  Figure   3(a,  b).   The  desi gn e d  un it   cel l  equ i va le nt  ci rcu it   is  sh ow n  in  Fig ure   6.   We  can  obser ve  f our  se ct ion s   from   this  equ i valent  m od el ,  t wo  ai r  sect io ns  an d  tw o  s ubs trat e  sect ion s .  Each  sect io n  c an  be  re presen te d  by  the  trans fer   m at rix  w hich  w hen   ca sca de d  would  represe nt  the  trans fer  m at rix  of   the   entire  unit   cel l  of   the  desig ne d  3D  F SS  struct ur e .  T he  Scat te rin g  pa ram et ers   S 11   a nd  S 21   ar e   o btai ne d   by   A,  B,   C,   D   para m et ers  of   the  trans fer   m at rix  [ 14 ] .   T he  t ran s fer   m at rix  of   t he  dif fer e nt   sect ion s  is  s how n  th r ough  th e  bl ock   dia gra m   as   sh ow n  in  Fig ure   9.   Bl oc k  1  s hows  the  tra nsfer  m at rix  fo r  the  ai r  sect ion   with  no  m e ta llic  plate ,  Bl ock   2  and  Bl ock   4  s hows   the  tra ns fe r  m at rix  f or  the  s ubstrat e  sect io ns  that  are  i den t ic al   and   Bl oc k  3  s hows  t he  tr ans fe r   m at rix  for  t he a ir   sect ion h avi ng m et a ll ic  p la te .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1020   –   1029   1026       (a)   (b)         (c)   (d)     Figure   8.   Sim ulate d  S  par am et ers  res ults f or  var i ou s  angles  of incide nce  of  TE  po la rized  plane wa ve.   Th e  ang le s  of inci de nce a re (a)  20 0 (b)40 0 (c) 600 (d)80 0           Fig ure   9.   Bl oc k diag ram  h aving the t ran s fer  m at rix  of the  four secti ons  of  the equivale nt  ci rcu it   m od el  of the   desig ne d un it  c el l       These  par am et ers  A , B,  C , D  of  t he  tra ns fe r m at rix  for  the   diff e re nt secti ons  dep e nd  on C a ,   C s ,  L s ,  Θ a ,  Θ s ,  Θ l3 ,  Θ l4 ,    Z a ,    Z s   an d   Z o .  F rom   the  m at rix  equ at io ns  1  an d7   as  gi ven  in   [ 14 ]   the   tra ns fe r  m at rix  of  eac h  sect ion   ca n  be  ob ta ine d.   The  each  sect io n  tr ansf e r  m at rix  can  be  ob ta i ned  by  casca ding  t he  tran sfe r  m atr ix  of   each  of it s sub - sect ion   w hich  i s sho wn th r ough a  blo c k dia gra m  in  Fig ur e   10.       [ ]   [ ]   [ ]   [ ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Ell ipti cal BandPassT hr ee  D i men si onal F re qu e ncy  Select iv e Surface  wi th M ulti ple …  ( Bimal R aj  Du tt a )   1027       (a)       (b)       (c)     Figure   10.   Bl oc k diag ram  sh owin g  the  tra ns f er m at rix  of th e f our  sect io ns   and their  sub - s ect ion s  with t he   equ i valent circ uit m od el  o f  th e unit  cell . ( a ) a ir secti on w it h no m et a ll i c p la te , ( b) air  sec ti on   with m et allic   plate , ( c )  t w o  i den ti cal  s ub st r at e sect ion s       Transfe r  m a trix  of  Bl oc k  1  and   Bl oc k  2  i n  Fig ur e   9  are   casca ded   to ge ther  to  obta in  the  Tra ns fe r  m at rix  of   the  uppe r  sect ion   of  the  un it   cel l  a nd   T ransfe r  m at rix  of   Bl oc k  3   an d  Bl ock   4  are  casca de d  tog et he r   to  obta in  the  Transfe r  m at ri x  of  the  bo tt om   sect ion   of   t he  desi gned  unit   cel l  in  Figu re   10.  T her ea fter  the   trans fer   m at rix  for  t he  e ntire   eq uiv al ent  ci r cuit  m od el   sho wn  in  Fig ur e   6   f or  the   desi gned   unit   cel l  can  be  ob ta in e d  as  s how n  i n  Fi gure   11,  w hich   is  a  casca de   com bin at io n  of  th e  trans fer  m atr ix  of  the   up pe r  a nd   bo tt om  r egi on  of the e quivale nt circ uit m od el .           Figure   11.   Bl oc k diag ram  h avin g  the  tra ns f er m at rix  of th e upp e r regi on  and bott om  r eg ion   of the  equ i valent  ci rcu it  m od el  of the  d esi gn e d un it  cell . T heir  cascade  co m bin at ion gi ves   t he  equivale nt tr ansf e r  m at rix       The  scat te rin g  par am et ers  (refle ct ion   a nd   t ran sm issi on   co eff ic ie nt)  for  the  entire  e qu i valent  ci rc uit  m od el  are  obta ined  a s [1 4]:     S 11 =   A e + B e Z 0 ⁄ − C e Z 0 − D e A e + B e Z 0 ⁄ + C e Z 0 + D e                 (2 a )                             [ ]   [ ]   [ ]   [     ]   [     ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   12 , N o.   3 ,  Dece m ber  2 01 8   :   1020   –   1029   1028   S 21 =   2 A e + B e Z 0 ⁄ + C e Z 0 + D e                 (2b)     The   eq uiv al e nt  ci rc uit  pa ram et ers C a ,  C s   a nd  L s   ar e  cal culat ed   by   the  physi cal   dim ension s   of  t he   desig ne d un it  c el l s tructu re as   fo ll ows  [ 13, 11] :     C a   ≈   w b h ω ( h − d ) Z 0 tan ∆ Θ                 (3 a )     C s   ≈     ε r w b h ω d Z 0 tan ∆ Θ                 (3b)     L s =   μ 0 2π [ d   ln2 d + √ ( D 2 ) 2 + d 2 D + 1 . 5 ( D 2 − √ ( D 2 ) 2 + d 2 ) ]           (3 c )     The   cha racteri sti c  i m ped ance   o f  t he   pa rall el   plate   wav e gu ide  Z 0   re pr e sents   the   f ree  sp ac e  re gion   ou tsi de  the   des ign e d  un it   cel l  wh e n  ca rr yi ng  the  TE  pola riz ed  plane  wa ve.  The   tan ∆ Θ is  evaluat ed  from   [1 4]   as foll ows ;     tan ∆ Θ =   2h λ ( h − d h   ln h h − d + d h   ln h d ) + S 1 ( 2h λ ; 0 , 0 ) − S 1 ( 2 ( h − d ) λ ; 0 , 0 ) − S 1 ( 2d λ ; 0 , 0 )   (3d)     Wh e re     S 1 ( x ; 0 , 0 ) = ∑ ( sin − 1 ( x n ) − ( x n ) ) ∞ n = 1             (3 e )     The  pro pa gatio n  c onsta nts   of  the  ai r   m od e  β a   a nd  the   s ubstrat e  m od e  β s   are   ev al uated  from   [ 12 ] ,   s o  the ele ct rical  leng t hs   of air m od e a nd s ub st rate m od e are  real iz ed  as  fo ll ows     Air  m od e: Θ a = β a l                   (4 a )     Θ l3 = β a l 3                   (4b)     Θ l4 = β a l 4                   (4 c )     Substrate  m ode:     =                 (4d)     2.5    Desi gn   M eth od ol ogy   The  el em entary  design   gu i de li nes  for  d es ign in g  the  th r ee  dim ension al   band - pass  F SS  are  as     per [ 1 ] ,   [ 16 ] ,   [ 12 ] .   a)   The widt h  b   a nd the  h ei gh t   2* h   of the  unit  cell  sh ould  b e  sm al le r  than  the c enter  fr e quenc y  wav el e ng t h .   b)   The  m ic ro strip   le ng t h  is   cal c ul at ed  as     L = λ g 2 = λ 0 2 √ ε re                   (5 a )       :   G uid e d wav el eng t h  at  th e re qu i red cente r  f reque ncy of th e FSS.    :   Eff ect ive  d ie le ct ric co ns ta nt.     c)   Fo r  the  m ic ro strip  patch  of t hickn e ss  t → 0  a nd  w/d ≥ 1,  is eva luate d [10] as  f ollows     ε re = ε r + 1 2 + ε r − 1 2 { ( 1 + 12 d w ) − 0 . 5 }                 (5b)      Is  a  f un ct io n of fr e quency a nd  it s v al ue  li es be tween     1 < ε re < ε r                   (5 c)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Ell ipti cal BandPassT hr ee  D i men si onal F re qu e ncy  Select iv e Surface  wi th M ulti ple …  ( Bimal R aj  Du tt a )   1029   As   t he   f re qu en cy   of   opera t io n   in creas es    = .   The  s hort  via  di a m et er  D  aff e ct s  the  first  r es on a nt  f reque nc y,  wh ic h  go es  dow n  to   l ow e r  value  as  t he  diam e te r  D dec reases  due to  the  dep e ndency  of the  in du ct a nce Ls  on dia m et er D.       3.   CONCL US I O N   A  3D  ba nd - pa ss  FSS  str uctu re  has  been   de sign e d  by  a  2D   per i od ic   a rr ay   arra ngem ent  of   du al   su r rou nded  m ic ro st rip  li nes .  Each  m ic ro strip  li ne  i n  a   unit   cel l  is  connec te d  to  it s  resp e ct ive  gro und  t hro ugh  sh ort   via  hole .   Tw o  ai r   re gions  a re  pr ese nt  above  t he  m ic ro strip   li nes  with  on e   ha ving  no  m et allic   plate   an d  the  oth e r  ha vi ng  a  recta ngular   m et allic   plate .  Ma xim u m   fo ur  transm issi on   zero s  a re  obta i ned   as  c om pared  to   three  transm issi on   zer os   obta ined  in  [ 14] .  Thu s  the  desig ne d  three  dim ension al   ba nd - pa ss  FSS  ex hib it s  hig h  sel ect ivit y,  elli ptica l  fr eq uency   resp on se,  broa d  fr e que nc y  ban d  re j ect i on   a nd   sta ble   fr eq ue ncy  res ult  fo r  diff e re nt angle s of inci den ce .       REFERE NCE S   [1]   B. A.Munk,  “ Fre quency   Se lecti v e   Surfac es:   Th eor y   and  D esign” .   New York,   NY ,   US A:  W il e y ,   20 00 .   [2]   S.N.Aze m i, K.  G horba ni,   “ Frequ ency   Select ive   Surfac es ” ,   Progress   In  El ec tro magneti cs  Re se arch  C, Vol.29, 1 91 - 203, 2012 .   [3]   A.Mckay , B . San z - Izq ui erd o,   “ E volut ion  of  Fre quency   Sel ec t iv e  Surfac es ”,   Fo rum   for  El ec tro magneti c  Re sea rch  Me thods and Ap pli cation  Te chno logi es( FE RMA T ) .   [4]   Ta riq  Rah im  and  Jiaodong  Xu,  “ X - bandBa nd -   pass  Freque nc y   Se le c ti v e  Surfac e  for  Ra dom e  Applic at i on” ,   TEL KOMNIKA  Indone sian J ourn al  of   Elce ri cal   E ngine ering ,   Vol .   16,   No.  2 .   Nove m ber   2015, pp, 28 1 - 285 .   [5]   Um ai r  Rafi que,   S y ed  Ahs an  Ali,  M.T ausif  Afza l  and  Mudass ar  A bdin,   “ Bandstop  Filt er  Design  for  GS M   Shiel ding  using  Freque nc y   Sel ec t ive   Surfac es” ,   Int ernati onal  Journ al  of  El e ct ri c al  and  Computer  Engi ne eri ng ,  Vol. 2. NO . 6. De c ember  2012pp. 8 46 -   850 .   [6]   K.  Rashid  an d  Zhongxi ang   Shen ,   “ Three - dimensional   Freque nc y S elec t ive   Surfac es” ,  978 - 1 - 4 244 - 8223 -   8/10/ $26. 0@20 1 0  IEEE.   [7]   Bo  Li   and  Zh ongxia ng,   “ Thr ee   – Dim ensional  Band -   Stop  Freque nc y   Sel e ct iv e  Struct ur es” ,   978 - 4673 - 21 85 -   3/12/ $31. 00@20 12IEE E .   [8]   Am ir  Khurrum  Rashid,  Zhon gxia ng  Shen   “ An  El l ipt i ca l   B andpa ss   Freque nc y   Sel ce t ive  Struct ure   base d   on  Microstri p  Li nes ”,   I EEET rans act ion  on  Ant enna   and  Propagati on ,   Vo l. 60 , No  10 ,   Octobe r 2012 .   [9]   K.  Rashid  and  Z.   Shen,   “ Thre e - dimensional   Monolit hi c  Freque nc y   Sel ective   St ruc ture   with  Di el e ct ri c  Loa d ing , ”  Proce ed ings o f   Asia -   pac if i c  M i crowave Conf ere nce   2010 .   [10]   Abbas  Abbaspo ur - Ta m ij an i, Ka m al   Sara bandi   “ Antenna   Arra y s  as  a  Cla ss   of  Bandpa ss   Freque nc y   – Select i ve  Surfac es” ,   IE EE  Tr ansacti on  on  Mic rowave   Theo ry  and  Tech niqu es ,   Vol .   52 ,   no .   8,   Aug.   2004.   [11]   Marc   E.   Goldfa r b  and  Robert   A.  Pucel ,   “ Modeli n g  Via  Hole  Grounds   in  Microstri p”,   IE EE   Mi c rowave  and  Guide d   Wav eletters ,   Vol .   1 ,   no .   6 ,   June   1 991 .   [12]   K.  Rashid,   Z.   S hen,   and  S.  Adi t y a,   “ W ide band  m ic rowave   absorbe r  base d  on  a   two - dimensional   per iod  ar ra y   o f   m ic rostrip  l ine s, ”  IE EE Tr ansacti ons on  An te nna s and  Propagation ,   Vol .   58 ,   no . 1 2,   pp .   3913 – 3 92 2,   De c. 2010 .   [13]   Ji -   Fuh  Li ang ,   Xiao - Peng  Lian g,   “ Dual  – Mod e  Dielec tri c   or  Air  Fill ed   Rect angul ar   W ave gu ide   Fil te rs” ,   IE EE   Tr ansacti ons on Microwave Theo ry  and  Tech niqu es ,   Vol . 42. No7,J ul y   1994.   [14]   Bo  Li   and  Z .   Shen,   “ Thre e - dime nsional   bandpa s s  fre quency -   sel ec t ive   struc ture s   with  m ult ipl e  tr ansm ission  ze ros”,   IEE E   Tr ansacti o n  on  Mi crowave  Theory  and  Te ch nique s ,   Vol .   61 ,   no.   10 , Oct. 2013 .   [15]   BoLi   and  Zhong xia ng  Shen,   “ Th ree   Dim ensiona l   Broadba nd  Ban d  Stop  Freque nc y   Sel ective   Surf ac e ”,   978 - 1 - 467 3 - 5317 -   5/13/ $31 . 0@20 13  IEEE .   [16]   K.  Rashid  and  Z.   Shen ,   “ A  novel   band - r ejec t   fre quency   S el e c ti vesurfa ce   wi th   pseudo - el l ipt i c   response” ,   I EEE   Tr ansacti on  on  Ant ennas Propagation ,   Vol.   58,   no.   4 ,   pp .   1220 – 1226,   April .   201 0 .   [17]   David  M.   Pozar ,   “ Microwa ve En gine er ing” ,   John   Wiley   &   Sons , Inc .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.