KR100576773B1

KR100576773B1 - 종단 결합된 ｓｉｒ들을 이용한 마이크로스트립대역통과필터

Info

Publication number: KR100576773B1
Application number: KR1020030096032A
Authority: KR
Inventors: 고경석; 전동석; 김동영; 이홍열; 이상석
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2006-05-08
Also published as: KR20050064562A; US7183882B2; US20050140472A1

Abstract

본 발명은 마이크로스트립 대역통과필터(band pass filter)에 관한 것이다. 특히 밀리미터파 대역에서 사용할 수 있는 종단 결합된 SIR을 이용한 마이크로스트립 대역통과필터에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 아랫면에 위치한 도체판, 및 상기 유전체 기판의 윗면에 위치하고, 도체이며, 간극에 의하여 종단 결합된 입력 단자, 복수개의 SIR 및 출력 단자를 포함하는 마이크로스트립 대역통과필터를 제공한다.

본 발명에 의한 마이크로스트립 대역통과필터는 감쇄 특성이 양호하고, 협대역 특성을 갖으며, 제작시 오차에 덜 민감하고, SIR의 저임피던스 전송선로의 폭 조절만으로도 필터 특성의 왜곡 없이 미세하게 주파수천이 시킬 수 있다는 장점이 있다.

SIR(stepped impedance resonator), 대역통과필터(band pass filter), 밀리미터파(milimeter wave), 종단 결합(end-coupled), 마이크로스트립(microstrip).

Description

종단 결합된 ＳＩＲ들을 이용한 마이크로스트립 대역통과필터 {Microstrip band pass filter using end-coupled SIRs}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로스트립 대역통과필터의 구조도이다.

도 2는 도 1에 표시된 마이크로스트립 대역통과필터의 평면도이다.

도 3 내지 6은 SIR의 불연속 구조에 의한 기생 성분 값 및 이에 대한 보정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 SIR의 불연속 구조에 의한 기생 성분에 대한 보정이 없는 경우의 주파수 전달 특성(S₁₁, S₂₁)과 보정이 있는 경우의 주파수 전달 특성(New model S₁₁, S₂₁)을 모의 실험한 결과를 비교 도시한 그래프이다.

도 8 내지 9는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터가 다양한 중심주파수를 가지도록 설계될 수 있음을 보여주기 위한 도면이다.

도 10 내지 12는 본 발명의 제 2 내지 4 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터를 설명하기 위한 도면이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명.

1 : 유전체 기판

2 : 접지 역할의 도체판

3a : 입력단자

3b : 출력단자

4 : SIR

5 : 기존 SIR의 저임피던스 전송선로

6 : 기존 SIR의 고임피던스 전송선로

7 : 기생 성분 값을 추출하여 보정된 SIR의 저임피던스 전송선로

8 : 기생 성분 값을 추출하여 보정된 SIR의 고임피던스 전송선로

9 : 개방 종단에 의해 생기는 저임피던스 전송선로의 연장된 길이 보정 값

10 : 기존 SIR의 저임피던스 전송선로의 길이

11 : 단차에 의해 생기는 저임피던스 전송선로의 연장된 길이 보정 값

12 : 단차에 의해 생기는 인턱턴스 값

13 : 단차에 의해 생기는 고임피던스 전송선로의 감쇄된 길이 보정 값

14 : 기존 SIR의 고임피던스 전송선로의 길이

15 : 또 다른 기존 SIR의 저임피던스 전송선로

16 : 또 다른 기존 SIR의 고임피던스 전송선로

17 : 기생 성분 값을 추출하여 보정된 SIR의 저임피던스 전송선로

18 : 기생 성분 값을 추출하여 보정된 SIR의 고임피던스 전송선로

19 : 개방 종단에 의해 생기는 고임피던스 전송선로의 연장된 길이 보정 값

20 : 기존 SIR의 고임피던스 전송선로의 길이

21 : 단차에 의해 생기는 고임피던스 전송선로의 감쇄된 길이 보정 값

22 : 단차에 의해 생기는 인턱턴스 값

23 : 단차에 의해 생기는 저임피던스 전송선로의 연장된 길이 보정 값

24 : 기존 SIR의 고임피던스 전송선로의 길이

25 : 또 다른 SIR의 형태

본 발명은 마이크로스트립 대역통과필터(band pass filter)에 관한 것이다. 특히 밀리미터파 대역에서 사용할 수 있는 종단 결합된 단계적 임피던스 공진기(stepped impedance resonators, 이하 SIR이라고 함)를 이용한 마이크로스트립 대역통과필터에 관한 것이다.

마이크로스트립 선로는 유전체 기판을 사이에 두고 양면에 한 조의 도체 박막으로 되어 있는 분포 정수 선로를 의미한다. 마이크로스트립 전송 선로(microstrip transmission line)라고도 한다. 윗면의 도체는 지정된 형상(스트립상)이고, 아랫면의 도체는 넓은 접지 도체로 형성되어 있다. 또한 윗면의 도체상에 다시 유전체를 배치한 상하 대칭 구조의 것도 있다. SIR은 단계적으로 변화하는 마이크로스트립 선로의 임피던스 비율 및 길이에 의해 특성 주파수 영역의 신호를 전달하고, 그 외의 주파수 성분들은 차단하는 공진기이다.

종래기술에 의한 SIR을 이용한 필터로는 주로 유전체 동축 선로를 이용한 형태와 인쇄 회로 형태의 평면형이 주를 이룬다.

이중에서, SIR을 이용한 필터의 시초가 되는 유전체 동축 선로형은 대부분 2단의 SIR을 이용하여 금속 구조물에 의해 캐패시턴스를 생성하여 필터를 만들었으며 고출력용에 적합하고 수 GHz 이하의 낮은 주파수 영역에서 주로 적용되었다.

인쇄 회로 형태의 평면형은 주로 스트립 선로, 마이크로스트립 선로, 동일평면 도파관(Coplanar waveguide, 이하 CPW라고 함) 구조의 형태들이 있다. 이것 중 스트립 선로와 마이크로스트립 선로를 이용한 필터는 3단의 SIR을 이용하여 공진기간 결합구조를 평행한 결합선로에 의해 결합하였으며 10 GHz 이하의 주파수 대역에서 발표한 결과가 주를 이룬다. CPW를 이용한 필터는 2단의 SIR을 이용하여 공진기간 결합구조는 간극과 접지 구조를 이용하여 결합하였으며 30GHz 이하의 주파수 대역에서 발표한 결과가 있다.

종래기술에 의한 SIR을 이용한 평면형 필터들은 대부분 결합 선로에 의해 공진기들이 결합되어 있으며, 대부분이 10GHz 이하의 주파수 영역에서 사용되고 있다. 또한, 결합 선로는 간격에 따라 캐패시턴스 성분뿐만 아니라 짝수-모드(even-mode), 홀수-모드(odd-mode) 임피던스가 같이 변하기 때문에 제작시 공정의 오차에 민감하고 우수한 감쇄 특성과 협대역 특성을 갖기에 어려움이 있다. 따라서, 종래기술에 의한 SIR을 이용한 평면형 필터들은, 감쇄 특성이 우수할 것을 요구하고, 협대역 특성을 가져야 하며, 필터의 구조가 파장에 비례적으로 작아지기 때문에 제작시 작은 오차에 필터 특성이 크게 변하지 않을 것을 요구하는 밀리미터파 대역(30GHz ~ 300GHz)에서 사용되기에 적합하지 아니하다는 문제점이 있다. 또한, 밀리미터파 대역의 필터는 기존의 경우 10GHz 이하의 주파수 영역에서 사용되어온 필터와 달리, 불연속 구조에 의한 기생성분을 고려하여야 한다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 감쇄 특성이 양호하고 협대역 특성을 갖으며 제작시 오차에 덜 민감하고 SIR의 저임피던스 선로의 폭 조절만으로도 필터 특성의 왜곡 없이 미세하게 주파수천이 시킬 수 있는 마이크로스트립 대역통과필터를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 목적은 기존 불연속 구조에 대한 해석 이론을 이용하여 SIR의 불연속 구조에 의한 기생 성분 값을 추출하여 공진기의 길이를 더하거나 줄여 보정함으로써, 설계의 정확성을 높이고 다양한 주파수 영역에서 적용 가능한 마이크로스트립 대역통과필터를 제공하는데 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로스트립 대역통과필터의 구조도이다. 도 1에서, 유전체 기판(1), 유전체 기판의 아랫면에 위치한 도체판(2) 및 유전체 기판의 윗면에 직렬로 위치하고, 도체인 입출력 단자(3a, 3b) 및 복수개의 SIR(4)들로 구성된다. 즉, 도체의 입출력 단자(3a, 3b) 및 복수개의 SIR(4)들은 SIR(4)의 전송선로의 길이방향으로 배치된다. 이는 도체의 입출력 단자의 배선이 SIR(4)의 전송선로의 길이방향으로 배치되어야 하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 입출력 단자(3a, 3b) 및 복수개의 SIR(4)들은 간극에 의해 종단 결합된다. 즉, 대역통과필터는 SIR(4) 양끝 즉 종단이 간극에 의해 용량성 결합된다. SIR(4)은 마이크로스트립 선로를 이용한 3단(three step)의 SIR(4)이다. 즉, SIR(4)은 양 종단쪽이 저임피던스 전송선로이고, 중심쪽이 고임피던스 전송선로로 구성된 3단의 SIR(4)이다. 필터의 감쇄 요구조건에 따라 차수 즉 SIR(4)의 갯수를 결정한다. 입력단자(3a)로 신호가 인가되면 간극에 의한 용량성 결합으로 SIR(4)로 신호가 전달 되며 차례로 다음 SIR(4)을 통과하여 출력단자(3b)로 신호가 출력된다. 이때 SIR(4)의 구조적인 값과 간극들의 크기에 의해 통과되는 주파수 영역이 결정되어 대역통과필터로 동작한다.

도 2는 도 1에 표시된 마이크로스트립 대역통과필터의 평면도로써, 본 발명의 대역통과필터를 구성하는데 고려되는 구성요소들을 표기한 것이다. 도 2에서, 도면부호 1, 3a, 3b 및 4는 각각 유전체 기판, 입력 단자, 출력 단자 및 SIR을 의미한다. S₀₁은 입력 단자(3a)와 첫번째 SIR과의 간극의 크기를 의미하고, L_Zl1은 첫번째 SIR의 저임피던스 전송선로의 길이를 의미하고, L_Zh1은 첫번째 SIR의 고임피던스 전송선로의 길이를 의미하고, W_Zl은 SIR의 저임피던스 전송선로의 너비를 의미한다.

SIR을 종단 결합한 구조이기 때문에 협대역이며 감쇄 특성이 개선된 필터를 구현할 수 있다. 왜냐하면, SIR이 종단 결합하게 되면, 전계에 의해서 결합하게 되는데, 이 결합되는 전계의 세기가 구조상 협대역 특성을 가져오기 때문이다. 그리고, 에너지 보존 법칙으로 인해 협대역이면 필요없는 주파수 영역의 감쇄량이 커지고, 광대역이면 감쇄량이 크지 않은 특성을 같는다. 또한, SIR의 저임피던스 선로의 폭 조절만으로 필터 특성의 왜곡 없이 주파수 천이 시킬 수 있어 튜닝(tuning)에 용이하다. 왜냐하면, 폭을 조절하면 전기적인 의미에서 저임피던스 선로의 길이가 변하게 되는데, 이 값은 저임피던스 선로의 길이를 직접 조절하였을 경우보다 훨씬 작은 값을 갖기 때문에 정밀하게 주파수 천이 양을 조절할 수 있기 때문이다. 더욱이, 밀리미터파 영역에서는 아주 작은 값의 변화도 필터 특성이 크게 변화하기 때문에 폭 조절은 제작시 튜닝에 용이하게 된다.

도 3은 기존의 SIR(5, 6) 및 기생성분 값을 추출하여 길이를 보정한 SIR(7, 8)의 구조도이다. 도 3에서, 기존의 SIR(5, 6)은 개방형 종단에 의한 영향(△l₀), 및 단차에 의한 영향(△l_S)이 있다. 개방형 종단에 의한 영향(△l₀)은 저임피던스 전송선로의 길이를 전기적으로 증가시켜 원하는 주파수 영역보다 낮은 주파수영역으로 천이시키며, 단차에 의한 영향(△l_S)은 저임피던스 전송선로의 길이를 전기적으로 증가시킬 뿐만 아니라, 고임피던스 전송선로의 길이를 감소시켜 원하는 주파수영역의 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 이를 보정한 SIR(7, 8)은 개방형 종단에 의한 영향(△l₀), 및 단차에 의한 영향(△l_S)만큼 저임피던스 전송선로의 길이(θ'₂)를 줄였으며, 단차에 의한 영향(△l_S)만큼 고임피던스 전송선로의 길이(θ'₁)를 늘였다.

도 4는 도 3의 보정한 SIR(7, 8)의 등가 회로도이다. 도 4에서, 보정한 SIR 은 저임피던스 선로의 길이(θ'₂)는 개방형 종단에 의한 영향인 -△l₀(9)만큼, 단차에 의한 영향인 -△l_S(11)만큼 보정되었으며, 고임피던스의 선로의 길이(θ'₁)는 단차에 의한 영향인 △l_S(13)만큼 보정되었다. 이 값은 파장이 짧아질수록 중요시 되어 밀리미터파 대역에서는 중요한 요소이다. 따라서 기생 성분 값을 고려한 경우 공진기는 저임피던스 선로의 길이가 θ'₂로 고임피던스 선로의 길이가 θ'₁로 바뀌며 표현식은 수학식 1과 같다. 그리고, 단차에 의하여 발생하는 인덕턴스 값인 L_S(12)는 아주 작은 값으로 무시하였다.

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도 5는 종단쪽이 고임피던스 선로(15)이며 중심쪽이 저임피던스 선로(16)로 구성된 기존의 SIR(15, 16) 및 기생성분 값을 추출하여 길이를 보정한 SIR(17, 18)의 구조도이다. 도 5에서, 기존의 SIR(15, 16)은 개방형 종단에 의한 영향(△l₀), 및 단차에 의한 영향(△l_S)이 있다. 따라서, 이를 보정한 SIR(17, 18)은 개방형 종단에 의한 영향(△l₀)만큼 고임피던스 전송선로의 길이(θ'₂)를 줄였으며, 단차에 의한 영향(△l_S)만큼 고임피던스 전송선로의 길이(θ'₂)를 늘였다. 단차에 의한 영 향(△l_S)만큼 저임피던스 전송선로의 길이(θ'₁)를 줄였다.

도 6은 도 5의 보정한 SIR(17, 18)의 등가 회로도이다. 도 6에서, 보정한 SIR은 고임피던스 선로의 길이(θ'₂)는 개방형 종단에 의한 영향인 -△l₀(19)만큼, 단차에 의한 영향인 △l_S(21)만큼 보정되었으며, 저임피던스의 선로의 길이(θ'₁)는 단차에 의한 영향인 -△l_S(13)만큼 보정되었다. 따라서 기생 성분 값을 고려한 경우 공진기는 고임피던스 선로의 길이가 θ'₂로 저임피던스 선로의 길이가 θ'₁로 바뀌며 표현식은 수학식 2와 같다. 그리고, 단차에 의하여 발생하는 인덕턴스 값인 L_S(12)는 아주 작은 값으로 무시하였다.

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도 7은 SIR의 불연속 구조에 의한 기생 성분에 대한 보정이 없는 경우의 주파수 전달 특성(S₁₁, S₂₁)과 보정이 있는 경우의 주파수 전달 특성(New model S₁₁, S₂₁)을 모의 실험한 결과를 비교 도시한 그래프이다. 여기에서, S₁₁ 및 S₂₁은 각각 입력 반사 손실과 이득(gain)을 의미한다. 본 모의 실험은 유전체 기판의 비유전율을 7.4로, 두께를 0.1 mm로 적용하여 중심 주파수 60GHz에서 공진주파수를 갖도록 설 계한 경우이다. 도 7에서, 보정이 없는 경우의 SIR은 51GHz의 공진주파수를 가졌고, 보정이 있는 경우의 SIR은 58GHz의 공진주파수를 가졌다. 따라서, 보정이 있는 경우 보다 정확한 설계 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 8은 유전체 기판의 비유전율을 7.4로, 두께를 0.1 mm로 하고 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터를 적용하여 중심주파수 60GHz에서 1GHz의 대역폭과 3GHz 이격주파수에서 40dB의 감쇄 특성을 갖도록 하여 모의실험 한 결과의 주파수 전달특성 곡선(S₁₁, S₂₁)을 도시한 그래프이다. 입력 반사 손실(S₁₁)은 10dB 이하의 특성을 보이며 이득(S₂₁)은 3GHz 이격주파수에서 40dB이하의 감쇄 특성과 전달대역에서 3dB의 삽입손실 특성을 보였으며, 약 2GHz의 대역폭 특성을 보인다.

도 9는 유전체 기판의 비유전율을 7.4로, 두께를 0.1 mm로 하고 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터를 적용하여 중심주파수 63GHz에서 1GHz의 대역폭과 3GHz 이격주파수에서 40dB의 감쇄 특성을 갖도록 하여 모의실험 한 결과의 주파수 전달특성 곡선(S₁₁, S₂₁)을 도시한 그래프이다. 입력 반사 손실(S₁₁)은 10dB 이하의 특성을 보이며 이득(S₂₁)은 3GHz 이격주파수에서 40dB이하의 감쇄 특성과 전달대역에서 3dB의 삽입손실 특성을 보였으며, 약 2GHz의 대역폭 특성을 보인다.

도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터에서 입출력 단자(3a, 3b)의 형상을 바꾼 경우이다. 즉 본 발명의 제 2 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터의 입력 단자(3a)와 첫 SIR과의 간극의 형상 및 마지막 SIR과 출력단자(3b)의 간극의 형상은 제 1 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터와 동일하게 유지하되, 입력 단자(3a)의 배선 및 출력 단자(3b)의 배선을 SIR(4)의 연결 방향과 수직으로 배치함을 특징으로 한다.

도 11 및 12는 본 발명의 제 1 및 2 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터에서 SIR의 형상을 바꾼 경우이다. 본 발명의 제 1 및 2 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터의 경우에는, SIR은 가운데 위치한 고임피던스 전송선로 및 양 끝에 위치한 저임피던스 전송선로로 구성되나, 도 11 및 12에 표현된 본 발명의 제 3 및 4 실시예에 의한 마이크로스트립 대역통과필터의 경우에는, SIR(25)은 가운데 위치한 저임피던스 전송선로 및 양 끝에 위치한 고임피던스 전송선로로 구성된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여 야한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 종단 결합된 ＳＩＲ들을 이용한 마이크로스트립 대역통과필터는 감쇄 특성이 양호하고, 협대역 특성을 가지며, 제작시 오차에 덜 민감하고, SIR의 저임피던스 선로의 폭 조절만으로도 필터 특성의 왜곡 없이 미세하게 주파수천이 시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 종단 결합된 ＳＩＲ들을 이용한 마이크로스트립 대역통과필터는 기존 불연속 구조에 대한 해석 이론을 이용하여 SIR의 불연속 구조에 의한 기생 성분 값을 추출하여 공진기의 길이를 더하거나 줄여, 보정함으로써 설계의 정확성을 높였으며 다양한 주파수 영역에서 적용 가능하다는 장점이 있다.

Claims

유전체 기판;

상기 유전체 기판의 아랫면에 위치한 도체판; 및

상기 유전체 기판의 윗면에 직렬로 위치하고, 도체이며, 간극에 의하여 종단 결합된 입력 단자, 복수개의 SIR들 및 출력 단자를 포함하며,

상기 SIR은 불연속 구조의 기생성분만큼 저임피던스 전송선로의 길이 및 고임피던스 전송선로의 길이를 보정한 SIR인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 SIR은 양 종단쪽이 저임피던스 선로이며 중심쪽이 고임피던스 선로인 3단의 SIR이거나, 양 종단쪽이 고임피던스 선로이며 중심쪽이 저임피던스 선로인 3단의 SIR인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 대역통과필터.
제 1 항에 있어서,

상기 입력 단자 및 상기 출력 단자의 배선의 방향은 상기 SIR의 배열 방향과 동일한 방향이거나, 상기 SIR의 배열 방향과 수직인 방향인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 대역통과필터.
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