KR100691472B1 - Ｄｇｓ를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 ｄｃ ｂｌｏｃｋ - Google Patents

Ｄｇｓ를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 ｄｃ ｂｌｏｃｋ Download PDF

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Abstract

본 발명은, 새로운 형태의 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK에 관한 것으로서, 유전체의 일측면에 평행하게 배치되어 DC 전류의 흐름을 차단하는 한 쌍의 커플드라인(Coupled line)과, 유전체의 타측면에 각 커플드라인에 대응되도록 형성되며, 유전체에 부착된 접지면의 일부영역이 식각되어 형성된 식각영역과, 식각영역내에 형성된 금속영역을 갖는 적어도 하나의 새로운 형태의 DGS(Defected Ground Structure)를 포함한다. 이에 의해, 원하는 통신대역에서 원하는 대역폭만큼 저지대역을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 통신 시스템의 크기를 감소시킬 수 있다.
DGS(Defected Ground Structure), 식각영역, 금속영역, DC BLOCK, 커플드라인(Coupled line), 능동회로, 능동소자

Description

ＤＧＳ를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 ＤＣ ＢＬＯＣＫ{DC BLOCK WITH BAND-NOTCH CHARACTERISTIC USING A DEFECTED GROUND STRUCTURE}
도 1은 일반적인 능동회로에 사용되는 DC BLOCK용 커플드라인의 평면도,
도 2는 본 발명에 따라 DC BLOCK용 커플드라인에 대응하여 형성된 DGS의 평면도,
도 3은 유전체의 일측면에 한 쌍의 커플드라인을 형성하고, 유전체의 타측면에 한 쌍의 DGS를 형성한 DC BLOCK의 투시도,
도 4는 도 3의 DGS를 적용한 DC BLOCK과 종래의 DGS를 적용한 DC BLOCK의 S11, S21 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 DGS를 적용한 DC BLOCK를 구비한 UWB용 LNA의 평면도,
도 6은 도 5의 UWB용 LNA의 게인과 NF를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
5 : 유전체 7 : 접지면
10a : 제1커플드라인 10b : 제2커플드라인
20 : DGS 21 : 식각영역
23 : 금속영역 25 : 브릿지
본 발명은 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 초광대역 통신에서 일정 주파수 대역에서 우수한 차단특성을 갖도록 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK에 관한 것이다.
일반적으로 초광대역 통신은, 매우 넓은 주파수 대역을 이용하여 고속 데이터 전송을 매우 낮은 전력으로 수행할 수 있도록 한다. 초광대역 통신에서 사용되는 주파수 대역은 3.1 ~ 10.6 GHz이며, 이 주파수 대역 중 5.15 ~ 5.825 GHz 주파수 대역은 무선랜인 WLAN 통신 서비스 규격인 HIPERLAN/2나 IEEE 802.11a 등에서 사용하는 주파수 대역이다. 이 대역의 사용전력은 초광대역 통신에 비해 약 70dB가 높고, 따라서 이 주파수 대역에서 초광대역 통신신호와 무선랜 신호가 상호 간섭을 발생시킬 수 있기 때문에, 초광대역 통신신호 중 무선랜 주파수 대역의 신호를 제거하는 방법들이 제안되어 왔다.
그 중 주로 사용되는 방법은 RF 통신 시스템의 말단에 BSF(Band Stop Filter)를 사용하는 방법이다. 그런데, BSF를 사용할 경우, 통신 시스템의 효율이 떨어지며 크기가 커진다.
한편, 일반적으로 능동회로는 FET, BJT, 다이오드 등의 비선형소자를 포함하는 회로를 말하며, 능동회로의 종류로는 증폭기(Amplifier), 발진기(Oscillator), 혼합기(Mixer), 주파수 체배기(Frequency Doubler), 위상천이기(Phase Shifter) 등을 들 수 있다.
이러한 능동회로를 RF 통신 시스템에 사용할 경우, 시스템내에서 신호를 전달하는 신호선과, 능동회로가 직접적으로 연결되는 것을 차단하는 DC BLOCK이 설치된다.
DC BLOCK은 DC 전원이 신호선으로 유입되어 신호에 영향을 주는 것을 차단하는 것으로서, 종래에는 커패시터를 주로 사용하였다. 그러나, UWB 시스템과 같이 초고주파, 초광대역 시스템에서 커패시터를 사용할 경우, 자기공진 현상이 발생하고 때때로 원치않는 기생 성분들이 발생된다. 이에 따라, 커패시터의 특성이 보장되지 아니할 뿐만 아니라, 효율이 떨어지고 가격이 비싸다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 마이크로 스트립 라인을 이용한 DC BLOCK이 제안되었다. DC BLOCK은 상호 평행하게 배치된 한 쌍의 마이크로 스트립 라인으로 형성되며, 각 마이크로 스트립 라인 양단의 전기적으로 차단함으로써, DC 오픈(Open)회로의 역할을 한다.
이러한 마이크로 스트립 라인을 이용한 DC BLOCK에 DGS(Defected Ground Structure)를 사용하여 LPF(Low Pass Filter)로 사용하는 구성이 제안되어 있다.
일반적으로 DGS는 전송선로의 접지면에 식각된 결함 패턴을 갖는 구조로서, 저손실의 Slow-wave와 특정 주파수 대역에서의 저지대역을 형성하는 특성이 있다. 그리고 DGS는 효과적으로 전송라인의 커패시턴스와 인덕턴스를 증가시키며, 하나의 폴을 갖는 LPF(Low Pass Filter)의 특성을 갖는다. 이에 따라, 종래에는 주로 LPF 나 BPF(Band Pass Filter)로 사용되었다.
이와 같이, DC BLOCK에 DGS를 사용할 경우, LPF나 BPF로 사용이 가능하다면, BSF로서의 기능도 가능할 것으로 보인다. 그러나, 이제까지는 그러한 시도들이 이루어지지 아니하였으며, DGS를 사용한 DC BLOCK를 BSF로 사용하기 위해서는 DGS에 변형을 가해야 할 것이다. 이에 따라, RF 시스템에 변형된 DGS를 실장한 DC BLOCK을 적용함으로써, 원하는 주파수대역에서 원하는 대역폭만큼 차단대역을 형성할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 원하는 주파수대역에서 원하는 대역폭만큼 차단할 수 있도록 하는 DGS를 적용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 유전체의 일측면에 평행하게 배치되어 DC 전류의 흐름을 차단하는 한 쌍의 커플드라인(Coupled line); 및, 상기 유전체의 타측면에 상기 각 커플드라인에 대응되도록 형성되며, 상기 유전체에 부착된 접지면의 일부영역이 식각되어 형성된 식각영역과, 상기 식각영역내에 형성된 금속영역을 갖는 적어도 하나의 DGS(Defected Ground Structure)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 DGS는 상기 각 커플드라인의 단부영역에 대응되도록 한 쌍이 형성되며, 상기 각 DGS는 상기 각 커플드라인의 길이방향의 가로로 형성되는 것이 바람직하 다.
상기 식각영역은 상기 금속영역의 둘레를 따라 형성될 수 있다.
상기 금속영역의 둘레를 따라 일영역에는 상기 금속영역과 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 금속판의 브릿지가 형성된 것이 바람직하다.
상기 브릿지는 상기 DGS의 길이방향을 따라 중앙영역에 형성될 수 있다.
상기 각 DGS의 브릿지는 상기 각 DGS에 대해 상호 마주보는 영역에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 각 커플드라인의 이격영역과, 상기 각 DGS의 브릿지의 위치가 일치하도록 상호 배치될 수 있다.
상기 각 커플드라인의 이격폭과, 상기 각 DGS의 브릿지의 폭은 동일할 수 있다.
상기 식각영역의 상기 금속영역의 둘레를 따라, 상기 브릿지를 제외한 영역의 길이는 저지대역 주파수의 λ/2인 것이 바람직하다.
상기 식각영역은 직사각형, 사각형, 타원형, 원형, 마름모형, 지그재그형, 나선형 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 금속영역은 상기 식각영역내에 상기 식각영역과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 식각영역과 금속영역의 폭과 길이는 상기 저지대역과 대역폭에 의해 결정될 수 있다.
상기 금속영역은 상기 브릿지가 형성된 상기 식각영역의 폭이 더 넓도록 일 측으로 치우쳐 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 능동회로에 사용되는 DC BLOCK용 커플드라인의 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따라 DC BLOCK용 커플드라인에 대응하여 형성된 DGS의 평면도이다. 여기서, DC BLOCK용 커플드라인(Coupled line)은 유전체(5)의 일측면에 형성되며, DGS(20)는 유전체(5)의 타측면에 형성된다.
DC BLOCK용 한 쌍의 커플드라인(10)은, 능동회로의 전단과 후단에 배치되어 신호선(15)과 능동회로를 차단함으로써, DC에 대해 개방회로처럼 작동하도록 한다. 이에 따라, 능동회로로 공급되는 DC전원과, 신호선(15)을 통해 전달되는 신호를 분리할 수 있다.
각 커플드라인(10)은, 마이크로 스트립라인(Micro Stripline)으로 형성되며, 타 소자의 신호선(15)으로부터 연장된 제1커플드라인(10a)과, 능동회로로부터 연장된 제2커플드라인(10b)을 포함한다. 제1커플드라인(10a)과 제2커플드라인(10b)은, 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되어 있으며, 제1 및 제2커플드라인(10a,10b)의 길이는 각각 λ/4 이다.
DGS(20)는, 상호 소정 간격을 두고 배치된 한 쌍으로 형성되며, 유전체(5)의 타측면에 부착된 접지면(7)에 형성된다.
각 DGS(20)는 접지면(7)을 소정 면적만큼 식각하여 형성된 식각영역(21)과, 식각영역(21)내에 형성된 금속영역(25)을 갖는다. 금속영역(25)은 식각영역(21)의 중앙영역에 형성되며, 이에 따라, 식각영역(21)은 금속영역(25)의 둘레를 따라 링 형상으로 배치된다.
이러한 각 DGS(20)는 각 커플드라인(10)의 단부영역에 대응되도록 형성되며, 각 DGS(20)는 각 커플드라인(10)의 길이방향의 가로로 길게 형성된다. 도 2에서는 각 DGS(20)의 식각영역(21)을 직사각형상으로 형성하고, 금속영역(25)도 식각영역(21)보다 작은 직사각형상으로 형성하였다. 그러나, 식각영역(21)을 사각형, 타원형, 원형, 마름모형과 같은 다각형이나 곡선으로 형성하고, 금속영역(25)도 식각영역(21)과 동일한 형상으로 형성할 수 있음은 물론이다.
한편, 금속영역(25)의 둘레를 따라 일영역에는 금속영역(25)과 접지면(7)을 전기적으로 연결하는 브릿지(23)가 형성되며, 금속영역(25)과 브릿지(23)는 접지면(7)과 동일한 금속으로 형성된다. 브릿지(23)는 각 DGS(20)의 길이방향을 따라 중앙영역에 형성되며, 각 DGS(20)는 각 브릿지(23)가 상호 인접하게 위치하도록 거울상으로 배치된다.
이러한 브릿지(23)에 의해 식각영역(21)은 일측이 개방된 사각링 형상으로 형성되며, 금속영역(25)의 둘레를 따라 브릿지(23)를 제외한 식각영역(21)의 길이는 저지대역의 λ/2로 형성된다. 따라서, 본 DGS(20)의 식각영역(21)의 길이는, 종래에 DGS(20)의 전체 길이와 동일하나, 금속영역(25)에 의해 식각영역(21)을 절곡시킨 효과를 발휘하므로, 실제 DGS(20)의 길이는 종래 DGS(20)의 길이에 비해 1/2 이하로 감소하게 된다.
한편, 본 실시예에서 금속영역(25)은 브릿지(23)가 형성된 식각영역(21)의 폭이 더 넓도록 식각영역(21)내에서 일측으로 치우쳐 형성되었으나, 식각영역(21) 과 금속영역(25)의 폭과 길이에 따라 저지대역과 대역폭을 조절할 수 있으므로, 다양한 설계가 가능함은 물론이다.
도 3은 유전체(5)의 일측면에 한 쌍의 커플드라인을 형성하고, 유전체(5)의 타측면에 한 쌍의 DGS(20)를 형성한 DC BLOCK의 투시도이다.
도시된 바와 같이, 각 DGS(20)는 각 커플드라인(10) 상에 각 DGS(20)가 각 커플드라인(10)의 단부에 위치하도록 배치된다. 그리고, 각 DGS(20)의 브릿지(23)가 각 커플드라인(10)의 이격영역과 일치하도록 배치된다.
이렇게 유전체(5)의 일측면에 DC BLOCK용 커플드라인(10)을 형성하고, 유전체(5)의 타측면에 DGS(20)를 형성하면, 전자기파가 각 커플드라인(10) 근처에 집중되고, DGS(20)의 식각영역(21)에 의해 전자기파가 방해를 받게됨으로써, 저지대역에서 다중간섭을 받게 된다. 이로 인해 전파지연 효과가 발생하며, 이에 따라, 각 커플드라인(10)의 길이를 단축시키고 각 커플드라인(10)의 이격거리를 조절할 수 있다.
도 4는 도 3의 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK과 종래의 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK의 S11, S21 특성을 나타낸 그래프이다. 본 그래프는, 도 1에 도시된 DC BLOCK용 커플드라인(10)과, 도 2에 도시된 DGS(20)의 각 부분의 사이즈를 다음과 같이 설정한 경우의 S11, S21특성을 나타낸다.
유전체(5)의 두께는 0.600mm, 유전율(εr)은 4.5로 하고, 신호선(15)의 폭(Wmd)은 1.130mm, 각 커플드라인(10)의 폭(Wfd)은 0.300mm, 각 커플드라인(10)의 길 이(Lfd1)는 5.895mm, 각 커플드라인(10)과 신호선(15) 간의 간격(Lfd2)은 0.705mm, 각 커플드라인(10) 사이의 간격(gfd)은 0.150mm로 설정되어 있다. 그리고, 각 DGS(20)의 식각영역(21)의 길이(Wsd)는 5.650mm, 금속영역(25)의 가로폭(Lsd2)은 0.730mm, 브릿지(23)의 폭(Wsd2)은 0.150mm, 브릿지(23)가 형성된 식각영역(21)의 폭(Lsd1)은 0.730mm, 나머지 식각영역(21)의 폭(gsd)은 0.150mm로 설정되어 있다. 여기서 각 커플드라인(10)의 이격폭(gfd)과, 각 DGS(20)의 브릿지(23)의 폭(Wsd2)은 동일하게 형성된다.
이렇게 DC BLOCK를 제작하여 측정한 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK에 비해, 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK의 S11 특성에서의 대역폭이 좁게 나타난 것을 알 수 있다. 마찬가지로 종래의 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK에 비해, 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK의 S21 특성의 대역폭이 좁게 나타난다. 이에 따라, 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK를 사용할 경우, 저지대역을 좀더 정확히 특정할 수 있게 된다. 특히, 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK의 S11 특성을 살펴보면, UWB 통신에서 저지해야 할 대역인 WLAN의 통신대역이 5.15 ~ 5.825 GHz에서 노치되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK는 UWB 통신시 WLAN 신호를 제거하는데 효과적이다.
도 5는 본 발명에 따른 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK를 구비한 UWB용 LNA의 평 면도이다. 도시된 바와 같이, UWB용 LNA는 다수의 소자로 이루어져 있으며, LNA에 전원을 공급하기 위한 4개의 전원선(35)이 연결되어 있다.
이러한 LNA의 전단과 후단에는 본 DGS(20)를 적용한 DC BLOCK(30)를 형성함으로써, 신호선(15)과 LNA간의 DC전원의 전달을 차단한다. 그리고, DC BLOCK(30)에 적용된 DGS(20)에 의해 UWB 통신에서 대역차단 특성을 얻을 수 있다.
도 6은 도 5의 UWB용 LNA의 게인과 NF를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 시뮬레이션한(Simulated) 게인(Gain) 및 NF(Noise Figure)와, 실제 측정한(Measured) 게인 및 NF가 거의 일치하는 것으로 나타나며, 이에 따라, 실제 UWB용 LNA에 적용할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실제 측정한 게인이 WLAN의 주파수 대역인 5 ~ 6 GHz 대역에서 -30dB정도 노치(Notch)됨을 보이고 있으며, 이는 UWB용 LNA의 사용시 WLAN 신호를 차단할 수 있음을 나타낸다. 따라서, 별도의 BSF(Band Stop Filter)를 사용하지 아니하여도 된다.
이와 같이, 본 DGS(20)를 형성한 DC BLOCK(30)는, DGS(20)에 의해 WLAN 대역에서 저지대역을 형성함으로써, UWB 통신 시스템에서 별도의 BSF를 설치할 필요가 없다. 따라서, 통신 시스템의 크기를 감소시키는 동시에 효율을 높일 수 있다.
또한, DGS(20)의 식각영역(21)내에 금속영역(25)을 형성함으로써, 금속영역(25)에 의해 좁아진 식각영역(21)에서 추가적인 모드(Mode)가 발생하여 대역폭이 넓어지는 것을 방지할 수 있으며, 유효 인덕턴스와 커패시턴스를 생성하여 저지대역을 한정시킬 수 있다. 그리고, 금속영역(25)에 의해 식각영역(21)의 길이가 길 어지는 효과가 있으므로, DGS(20)의 크기를 감소시킬 수 있다. 따라서, 통신 시스템의 크기를 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, DGS(20)를 구성하는 식각영역(21)과 금속영역(25)의 폭과 길이를 조절함으로써, 저지대역과 대역폭을 원하는대로 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 원하는 통신대역에서 원하는 대역폭만큼 저지대역을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 통신 시스템의 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 유전체의 일측면에 평행하게 배치되어 DC 전류의 흐름을 차단하는 한 쌍의 커플드라인(Coupled line); 및,
    상기 유전체의 타측면에 상기 각 커플드라인에 대응되도록 형성되며, 상기 유전체에 부착된 접지면의 일부영역이 식각되어 형성된 식각영역과, 상기 식각영역내에 형성된 금속영역을 갖는 적어도 하나의 DGS(Defected Ground Structure)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 DGS는 상기 각 커플드라인의 단부영역에 대응되도록 한 쌍이 형성되며, 상기 각 DGS는 상기 각 커플드라인의 길이방향의 가로로 형성되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 식각영역은 상기 금속영역의 둘레를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속영역의 둘레를 따라 일영역에는 상기 금속영역과 상기 접지면을 전 기적으로 연결하는 금속판의 브릿지가 형성된 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 브릿지는 상기 DGS의 길이방향을 따라 중앙영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 DGS의 브릿지는 상기 각 DGS에 대해 상호 마주보는 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 커플드라인의 이격영역과, 상기 각 DGS의 브릿지의 위치가 일치하도록 상호 배치되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 커플드라인의 이격폭과, 상기 각 DGS의 브릿지의 폭은 동일한 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 식각영역의 상기 금속영역의 둘레를 따라, 상기 브릿지를 제외한 영역의 길이는 저지대역 주파수의 λ/2인 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 식각영역은 직사각형, 사각형, 타원형, 원형, 마름모형, 지그재그형, 나선형 중 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속영역은 상기 식각영역내에 상기 식각영역과 동일한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 식각영역과 금속영역의 폭과 길이는 상기 저지대역과 대역폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속영역은 상기 브릿지가 형성된 상기 식각영역의 폭이 더 넓도록 일 측으로 치우쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 DGS를 이용한 대역 차단 특성을 갖는 DC BLOCK.
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