KR100694252B1 - Elliptic function Band-Pass Filter Using the microstrip split ring resonators - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로스트립 스플릿 링 공진기에 의한 신호라인의 갭과 슬릿에 의하여 커플링 세기를 증가시켜 공진기의 품질, 선택도, 크기를 향상시킨 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터에 관한 것이다.The present invention relates to an elliptic function bandpass filter using a microstrip split ring resonator which improves the quality, selectivity and size of the resonator by increasing the coupling strength by the gap and slit of the signal line of the microstrip split ring resonator. .
본 발명은 스플릿 링 공진기에서 마이크로스트립 신호라인의 길이를 연장하는 개방형 슬릿과 마이크로스트립 신호라인 사이의 내부 갭을 형성한 콤팩트한 공진기 구조와, 개방형 슬릿에 따른 캐패시턴스와 내부 갭에 따른 분포 캐패시턴스에 의한 등가 정정용량을 극대화한 것이다.The present invention provides a compact resonator structure that forms an internal gap between an open slit and a microstrip signal line extending a length of a microstrip signal line in a split ring resonator, and a capacitance due to an open slit and a distribution capacitance according to an internal gap. Equivalent correction capacity is maximized.
H로 굽은 제 1 또는 제 2 마이크로스트립 신호라인에 의한 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿과 제 2 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿에 의한 캐패시턴스 및 상기 제 1 마이크로스트립 신호라인과 제 2 마이크로스트립 신호라인 사이의 내부 갭에 의한 분포 캐패시턴스를 포함하고 상기 캐패시턴스와 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량을 극대화하여 공진기의 크기를 최소화한다.Capacitance by the open slit of the first microstrip signal line by the first or second microstrip signal line bent by H and by the open slit of the second microstrip signal line and the first microstrip signal line and the second microstrip signal. Including the distribution capacitance due to the internal gap between the lines and by maximizing the equivalent capacitance by the capacitance and the distribution capacitance to minimize the size of the resonator.
따라서, 본 발명은 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터 구조에 의하여 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스의 등가 정정용량을 크게 함으로써, 커플링 효율을 향상시켜 공진기의 품질과 선택도를 개선하고, 스플릿 링 공진기를 3단, 4단 배열하여 성능이 향상된 필터를 제공함으로써, 마이크로파 및 밀리미터파 회로에서 필터, 듀플렉스, 오실레이터, 믹서 등에 응용되는 효과가 있다.Accordingly, the present invention improves the coupling efficiency by improving the coupling efficiency by increasing the equivalent capacitance of the capacitance and the distribution capacitance by the elliptic function bandpass filter structure using the microstrip split ring resonator, thereby improving the quality and selectivity of the resonator. By providing three- and four-stage ring resonators, the filter has improved performance, and thus, it is effective to be applied to filters, duplexes, oscillators, mixers, and the like in microwave and millimeter wave circuits.
공진기, 타원함수 필터, 커플링 계수, 감쇄 극점, 전달 영점, 스플릿 링 공진기, 대역통과 필터, 마이크로스트립 Resonator, elliptic function filter, coupling coefficient, attenuation pole, transfer zero, split ring resonator, bandpass filter, microstrip
Description
도 1은 종래의 개방 루프 공진기 구조도1 is a structural diagram of a conventional open loop resonator
도 2는 종래의 스플릿 링 공진기의 구조도2 is a structural diagram of a conventional split ring resonator
도 3은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 구조도3 is a structural diagram of a microstrip split ring resonator according to the present invention
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 등가회로도4A through 4C are equivalent circuit diagrams of a microstrip split ring resonator according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도5 is an elliptic function four-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention
도 6은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프6 is an elliptic function four-stage bandpass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도7 is an elliptic function three-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention
도 8은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 그래프8 is an elliptic function three-stage bandpass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도9 is an elliptic function 4-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention
도 10은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프10 is an elliptic function four-stage bandpass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도11 is an elliptic function three-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention
도 12는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역 통과 필터 그래프12 is an elliptic function three stage band pass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention.
* 도면의 주요 부분의 부호의 설명 *Explanation of symbols of the main parts of the drawings
10 : 마이크로스트립 신호라인10: microstrip signal line
11, 13 : 제 1 마이크로스트립 신호라인11, 13: first microstrip signal line
12, 14 : 제 2 마이크로스트립 신호라인12, 14: second microstrip signal line
20 : 마이크로스트립 커플링 슬릿20: microstrip coupling slit
21 : 제 1 마이크로스트립 커플링 슬릿21: first microstrip coupling slit
22 : 제 2 마이크로스트립 커플링 슬릿22: second microstrip coupling slit
30, 31 : 내부 갭 32 : 내부공간30, 31: internal gap 32: internal space
40 : 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿40: open slit of the first microstrip signal line
41 : 제 1 마이크로스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿41: closed slit of the first microstrip signal line
50 : 제 2 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿50: open slit of second microstrip signal line
60, 70, 80, 90 : 제 1 간격 61, 71, 81, 91 : 제 2 간격60, 70, 80, 90:
62, 82 : 제 3 간격 100, 500, 800, 1200 : 제 1 공진기62, 82:
110, 510, 810, 1210 : 입력선로110, 510, 810, 1210: input line
200, 600, 900, 1300 : 제 2 공진기200, 600, 900, 1300: second resonator
300, 700, 1000,1400 : 제 3 공진기300, 700, 1000, 1400: third resonator
400, 1100 : 제 4 공진기 410, 710, 1110, 1410 : 출력선로400, 1100: fourth resonator 410, 710, 1110, 1410: output line
본 발명은 마이크로스트립 스플릿 링 공진기(Microstrip Split Ring Resonator)를 이용한 타원함수 대역통과 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 구조에 의한 신호라인의 갭과 슬릿에 의하여 커플링 세기를 증가시켜 공진기의 품질, 선택도 및 크기에 의하여 필터의 성능을 향상시킨 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터에 관한 것이다.The present invention relates to an elliptic function bandpass filter using a microstrip split ring resonator. More specifically, the coupling strength is increased by gaps and slits in a signal line by a microstrip split ring resonator structure. The present invention relates to an elliptic function bandpass filter using a microstrip split ring resonator which improves the performance of the filter by the quality, selectivity and size of the resonator.
도 1은 종래의 개방형 루프 공진기 구조도로서, 상기 개방형 루프 공진기는 마이크로스트립 신호라인(10)의 어느 한 변이 마이크로스트립 커플링 슬릿(20)으로 형성되어 사각형으로 굽은 구조이고, 도 2는 종래의 스플릿 링 공진기 구조도로서, 상기 스플릿 링 공진기는 제 1 마이크로스트립 커플링 슬릿(21)이 형성되어 사각형 으로 굽은 구조인 제 1 마이크로스트립 신호라인(11) 내부에 동일한 구조의 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)를 제 1 및 제 2 마이크로스트립 커플링 슬릿(21, 22)의 방향이 서로 반대가 되게 삽입하고 삽임함에 있어서, 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인(11, 12) 사이에 내부 갭(30)이 형성된 구조이다.1 is a schematic diagram of a conventional open loop resonator, wherein the open loop resonator is formed of a
이와 같이 상기 공진기들은 내부 갭(30)에 의하여 커플링 효율을 결정하며, 내부 갭(30)의 사이즈가 작으면 커플링 효과가 크게 되고, 갭의 사이즈를 크게 하면 커플링 효과도 줄어든다. 따라서, 상기 커플링 구조는 내부 갭(30)의 사이즈를 줄이는데 있어서 공정상의 제한이 있음으로 공진기의 품질과 선택도를 향상시키기 어려운 문제점이 있었다.As described above, the resonators determine the coupling efficiency by the
또 다른 종래의 공진기로서, 마이크로스트립을 이용한 헤어핀 공진기(Hairpin Resonator)가 있는 바, 상기 헤어핀 공진기는 유전체 공진기(DR)에 비해서 손실이 적고 집중소자 캐패시터를 갖는 구조에 비해 보다 높은 주파수 영역에서 사용될 수 있으며 병렬결합선로의 길이를 조절(trimming)하여 주파수를 튜닝할 수 있고, 평면구조이기 때문에 MIC(Microwave Integrated Circuit) 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 구현이 용이한 공진기가 있었다.As another conventional resonator, there is a hairpin resonator using a microstrip, and the hairpin resonator has a low loss compared to the dielectric resonator DR and can be used in a higher frequency region than a structure having a lumped element capacitor. In addition, because the length of the parallel coupling line (trimming) can be tuned and the frequency can be tuned, and because of the planar structure, there was a resonator that can easily implement MIC (Microwave Integrated Circuit) and MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
종래의 상기 헤어핀 공진기는 커플링의 세기(Coupling Strength)를 증가시키기에 이미 한계에 도래하였고, 차선책으로 기판(Substrate)의 물성을 조절하는 식의 기술이 있었으나 근본적인 커필링의 세기의 증가 없이는 위성과 같은 높은 주파수로의 이용이 용이하지 못함으로 인하여 고가의 제품으로 양산되는 불가피한 문제점이 있었다.Conventional hairpin resonator has reached the limit to increase the coupling strength (Coupling Strength), and there was a technique of controlling the properties of the substrate (Substrate) as a workaround, but without the increase in the strength of the fundamental cupping Due to the inability to use the same high frequency, there was an inevitable problem of mass production of expensive products.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 근본적인 공진기의 커플링 세기를 증가시키고 품질, 선택도, 크기에 의하여 필터의 성능을 향상시킨 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to increase the coupling strength of the fundamental resonator and ellipse using a microstrip split ring resonator to improve the performance of the filter by the quality, selectivity, size Its purpose is to provide a function bandpass filter.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터는 입력선로가 연결되는 제 1 공진기와 출력선로가 연결되는 제 2 공진기를 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿이 서로 마주하도록 제 1 간격을 형성하여 배열되고, 상기 배열된 제 1 공진기와 제 2 공진기 하단에 제 1 혼합형 커플링이 발생되는 제 2 간격을 형성하여 제 3 공진기와 제 4 공진기가 배열되고, 상기 제 3 공진기와 제 4 공진기가 자기적 커플링이 발생되는 제 3 간격을 형성하여 4단 배열되는 것을 특징으로 한다.An elliptic function bandpass filter using a microstrip split ring resonator according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a first resonator having a first resonator connected to an input line and a second resonator connected to an output line. The first and second resonators are arranged to form a first gap so as to face each other, and the second and fourth resonators are formed by forming a second gap at which the first hybrid coupling is generated at the bottom of the arranged first and second resonators. The third resonator and the fourth resonator may be arranged in four stages by forming a third gap in which magnetic coupling is generated.
본 발명의 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 제 1 공진기 내지 제 4 공진기 중 어느 한 공진기는 한 측단부에 제 1 개방형 슬릿부와, 다른 측단부에는 폐쇄형 슬릿부을 형성한 H자형의 제 1 마이크로스트립 신호라인과, 상기 H자형의 제 1 마이크로스트립 신호라인 내부에 갭을 갖고, 굽은 H자형에 따라 상기 제 1 개방형 슬릿부과 반대되는 방향으로 제 2 개방형 슬릿부가 형성된 H자형의 제 2 마이크로스트립 신호라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, any one of the first to fourth resonators includes a first open slit portion at one side end and a first H-shaped micro having a closed slit portion at the other side end. H-shaped second microstrip signal having a gap in the strip signal line and the H-shaped first microstrip signal line and having a second open slit in a direction opposite to the first open slit according to the curved H-shape. It is characterized by consisting of lines.
본 발명의 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 4 단 배열은 스플릿 링 공진기 로 배열되는 것을 특징으로 한다.According to a feature according to an embodiment of the present invention, the four-stage arrangement is characterized by being arranged as a split ring resonator.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 대역통과 필터는 입력선로가 연결되는 제 1 공진기와 출력선로가 연결되는 제 2 공진기의 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿이 서로 마주하도록 제 1 간격을 형성하여 배열되고, 상기 배열된 제 1 공진기와 제 2 공진기 상단에 제 2 혼합형 커플링이 발생되는 제 2 간격을 형성하여 제 3 공진기가 3단 배열되는 것을 특징으로 한다.In the elliptic function bandpass filter using the microstrip split ring resonator according to another embodiment of the present invention, the open slits of the first microstrip signal line of the first resonator connected to the input line and the second resonator connected to the output line are mutually The first resonator may be arranged to face each other, and the third resonator may be arranged in three stages by forming a second interval where a second hybrid coupling is generated on the arranged first and second resonators.
본 발명의 다른 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 제 1 공진기 내지 제 3 공진기 중 어느 한 공진기는 한 측단부에 제 1 개방형 슬릿부와, 다른 측단부에는 폐쇄형 슬릿부을 형성한 H자형의 제 1 마이크로스트립 신호라인과, 상기 H자형의 제 1 마이크로스트립 신호라인 내부에 갭을 갖고, 굽은 H자형에 따라 상기 제 1 개방형 슬릿부과 반대되는 방향으로 제 2 개방형 슬릿부가 형성된 H자형의 제 2 마이크로스트립 신호라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, any one of the first to third resonators includes an H-shaped first having a first open slit portion at one side end and a closed slit portion at the other side end. A second H-shaped microstrip having a microstrip signal line and a gap inside the H-shaped first microstrip signal line and having a second open slit in a direction opposite to the first open slit according to the curved H-shape. Characterized in that consisting of signal lines.
본 발명의 다른 실시예에 따른 특징에 의하면 상기 3단 배열은 스플릿 링 공진기로 배열되는 것을 특징으로 한다.According to a feature of another embodiment of the present invention, the three-stage arrangement is characterized in that it is arranged in a split ring resonator.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 구조도로서, 상기 스플릿 링 공진기는 신호라인을 굽은 구조(Meander Line Structure)로 형성한 것이다. 즉, 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)을 형성하고 상기 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)의 다른 측면에 제 1 마이크로스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿(41)이 형성되도록 H자 형태로 굽은 제 1 마이크로스트립 신호라인(13)과, 상기 제 1 마이크로스트립 신호라인(13) 내부에 제 1 마이크로스트립 신호라인(13)을 기준으로 일정비율 축소하여 내부 갭(31)과 내부 공간(32)이 형성되고, 상기 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)과 반대되는 방향에 제 2 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(50)이 형성되도록 H자로 굽은 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)으로 이루어진다.3 is a structural diagram of a microstrip split ring resonator according to the present invention, wherein the split ring resonator has a meander line structure. That is, the
본 발명의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 설명하기 위하여 우선, 도 2 또는 도 4a 내지 도 4c와 함께 종래의 스플릿 링 공진기를 설명하면 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)은 도 4b 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 R, L, C 등가회로로 표시되는 바, 입력선로상의 신호의 인가는 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)의 신호전원으로 나타나고 상기 등가 신호전압원은 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)으로 여기 되며, 이때 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)도 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)에 대해 등가 신호 전압원으로 나타난다. 이에 도 4b에 도시된 바와 같이 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로스트립 신호라인(12) 상의 두 개의 등가신호 전압원을 모두 고려한 상기 공진기의 총 등가신호 전압원은 다음과 같은 페러데이 법칙(faraday's law)으로 나타난다.To explain the microstrip split ring resonator of the present invention, first, a conventional split ring resonator will be described with reference to FIGS. 2 or 4A to 4C. The first
V = -jωμ0AHi V = -jωμ0AHi
V : 유도전압원(Induced Voltage)V: Induced Voltage Source
ω : 각주파수(radial frequency)ω: radial frequency
Hi : 투과 자기력(incident magnetic field)H i : Incident magnetic field
A : 루프의 면적(loop area)A: loop area
μ0 : 자유공간의 투자율(free-space permeability)μ 0 : free-space permeability
따라서, 도 4a 또는 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)의 A는 등가신호 전압원 V o 으로 모델화되고 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)의 B는 등가신호 전압원 V i 로 모델화된다. 또한 심볼 R' 과 L' 는 각각 분포저항(distributed resistance)과 분포 인덕턴스(distributed inductance)이고, C slit 는 슬릿에 대한 정전용량(capacitance of the slits)이며, C'는 두 개의 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인(11, 12) 사이의 내부 갭(30)의 분포커패시턴스(the distributed capacitance of the gap)이다.Thus, as shown in FIG. 4A or 4B, A of the second
입력 피드라인(feed line)선로로 입력된 주파수 신호는 제 1 마이크로스트립 신호라인(12)에서 내부 갭(30)을 통해 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)으로 흐르게 된다. 이때 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)과 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)은 그 위치에 따라서 등가전압원의 값이 상대적으로 차이를 갖는다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 신호라인의 슬릿방향으로 갈수록 최소값을 가지며 반대로 중앙점인 A와 B에서 최대값을 가진다.The frequency signal input to the input feed line line flows from the first
등가회로도인 도 4b를 보다 간략화한 도 4c는 상기 도 4b 등가회로도의 슬릿을 통한 등가정전용량이 내부 갭(30)의 등가정전용량보다 상대적으로 작은 값을 갖기 때문에 이를 생략하여 도시한 것이다. 따라서 도 4c에 도시된 RLC 직렬 탱크 회로(serial tank circuit)로써 간략화 시킬 수가 있다.4C, which is a simplified circuit diagram of FIG. 4B, is omitted since the equivalent capacitance through the slit of the equivalent circuit diagram of FIG. 4B has a smaller value than the equivalent capacitance of the
한편, 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인(11, 12)이 배치가 서로 대칭적이기 때문에 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 마이크로스트립 신호라인(11)의 윗부분이 음의 전하의 값을 갖으면 제 2 마이크로스트립 신호라인(12)의 윗부분은 상대적으로 양의 유도전하를 갖는다. 이와 같은 현상은 상기 제 1 또는 제 2 마이크로스트립 신호라인(11, 12)의 아랫부분에 대해서도 일치한다.On the other hand, since the arrangement of the first and second
그러므로 이와 같은 등가회로도를 근간으로 상기의 공진기의 공진주파수는 다음과 같은 공식으로 간략화 된다. Therefore, based on the equivalent circuit diagram, the resonant frequency of the resonator is simplified by the following formula.
ω 0 =sqrt(2/pLCpul) ω 0 = sqrt (2 / pLC pul )
ω 0 : 공진주파수(resonance frequency) ω 0 : resonance frequency
C pu l : 내부 갭에 대한 단위길이당 정전용량 C pu l : capacitance per unit length for internal gap
L : 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인 전체에 대한 총 인덕턴스 (total inductance)L: Total inductance for the entire first and second microstrip signal lines
r0 : 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인 사이의 평균반지름r 0 : average radius between the first and second microstrip signal lines
결과적으로 본 발명의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기는 상기 도 4a 내지 도 4c의 신호흐름과 거의 동일하지만 도 2의 공진기 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인의 구조를 도 3에 도시된 바와 같이 H형태로 굽어 제작함으로써, 제 1 또는 제 2 마이크로 신호라인(13, 14)에 의한 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)과, 제 2 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(50)에 의한 캐패시턴스 및 상기 제 1 마이크로스트립 신호라인(13)과 제 2 마이크로스트립 신호라인(14) 사이의 내부 갭(31)에 의한 분포 캐패시턴스를 포함하고 상기 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스에 의해서 등가 정전용량을 극대화하여 전체 크기 면에서 훨씬 작은 형태로 구현한 것이다.As a result, the microstrip split ring resonator of the present invention is almost the same as the signal flow of FIGS. 4A to 4C, but the structure of the first and second microstrip signal lines of FIG. 2 is H-shaped as shown in FIG. By bending, the capacitance of the open slit 40 of the first microstrip signal line by the first or second
따라서, 본 발명의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기는 제 1 마이크로스트립 신호라인(13)과, 제 2 마이크로스트립 신호라인(14) 사이의 내부 갭(31) 또는 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인의 슬릿(40, 41)의 커필링 세기의 증가로 인하여 본 발명 공진기의 공진주파수는 저주파로의 이동이 매우 크고 동일한 중심주파수로의 설계 시에 공진기의 크기를 획기적으로 줄이는 작용을 한다.Thus, the microstrip split ring resonator of the present invention has an
또한, 본 발명의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기는 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인(13, 14) 각각의 두께를 0.48㎜로 하고, 제 1 및 제 2 마이크로스트립 신호라인(13, 14) 사이의 내부 갭(31)을 0.2㎜m로 하고, 제 2 마이크로스트립 신호라인(14) 내부의 세로 방향 내부 공간(32)의 가로 길이를 0.5㎜로 하고, 제 2 마이크로스트립 신호라인(14) 내부의 가로 방향 내부 공간(32)의 세로 길이를 0.56㎜로 제작하는 것이 가장 바람직하다.In addition, the microstrip split ring resonator of the present invention has a thickness of 0.48 mm in each of the first and second
도 5는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도로서, 상기 4단 대역통과 필터 구조도는 상기 도 3의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기가 4개 모여 통과대역 필터를 구현한 것으로 상기 4개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(100), 제 2 공진기(200), 제 3 공진기(300), 제 4 공진기(400)라 칭한다. 상기 4개의 공진기(100, 200, 300, 400)를 배열하여 제작된 본 발명의 필터는 상기 제 1 공진기(100) 또는 제 2 공진기(200)에 형성된 제 1 마이크로스트립 신호라인의 개방형 슬릿(40)을 서로 마주하고 상기 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200)를 제 1 간격(60) 정도 이격시켜 배열한다.5 is a structural diagram of an elliptic function four-stage bandpass filter using a microstrip split ring resonator according to the present invention, wherein the four-stage bandpass filter structural diagram includes four microstrip split ring resonators of FIG. For example, the four resonators are referred to as a
이후, 상기 배열된 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200) 하단에 제 2 간격(61) 정도 이격시켜 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400)를 배열한다. 또한 상기 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400)를 배열함에 있어서, 제 3 공진기(300)와, 제 4 공진기(400)는 제 1 마이크로스트립 신호라인의 폐쇄형 슬릿(41)을 서로 마주하고, 상기 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400) 사이에 제 3 간격(62) 정도 이격시켜 배열함으로서 필터를 구성한다. 한편 상기 제 1 공진기(110)는 입력선로(110)가 되고 제 2 공진기(200)는 출력선로(210)가 된다.Thereafter, the
상기와 같이 배열한 필터는 각 공진기간의 커플링이 4 가지로 나뉜다. 첫 번째를 전기적인 커플링(Electric Coupling)이 있다. 이 경우의 커플링은 제 1 공진기(100)와 제 2 공진기(200) 사이의 발생되는 커플링이며, 이는 상기 설명한 바 있는 도 4a 내지 도 4c의 신호라인 중앙 A와 B의 등가 신호전압원은 상대적으로 전기력(Electric Field)이 크며, 반대로 슬릿(40)의 절단된 가장자리 부분은 자기력(Magnetic Field)이 크다. 따라서 전기력이 센 부분간의 커플링을 전기적인 커플 링이라고 한다.The filters arranged as above are divided into four types of couplings in each resonance period. The first is Electrical Coupling. Coupling in this case is the coupling generated between the
다음으로, 자기적인 커플링(Magnetic Coupling)있는 바, 이는 전기적인 커플링과는 반대로 자기력이 센 부분간의 커플링이 일어난다. 따라서 이를 자기적인 커플링 구조라하며 제 3 공진기(300)와 제 4 공진기(400) 사이에 일어나는 커플링이다. 상기 전기적인 커플링, 자기적인 커플링 이외에 두 커플링은 제 1 혼합형 커플링(Mixed coupling I)과 제 2 혼합형 커플링(Mixed coupling II)라 하고 상기 제 1 혼합형 커플링은 제 1 공진기(100)와 제 3 공진기(300) 그리고 제 2 공진기(200)와 제 4 공진기(400) 사이의 커플링 구조이고, 상기 제 2 혼합형 커플링은 도 7에 도시된 3단 구조에서 사용된다.Next, there is a magnetic coupling (coupling), which is a coupling between the magnetically strong parts as opposed to the electrical coupling. Therefore, this is called a magnetic coupling structure and is a coupling occurring between the
또한, 대각선 방향으로 제 1 공진기(100)와 제 4 공진기(400) 및 제 2 공진기(200)와 제 3 공진기(300) 사이의 교차되는 커플링의 량은 서로 상쇄되어 억제된다. 또한 이러한 각기 커플링의 량은 공진기간의 거리의 증가에 따라 감소되며, 이러한 거리의 값은 기존에 연구되어 왔던 타원함수 필터 이론(Elliptic Function Filter Theory)에 근거해 전자기 시뮬레이션(EM Simulation, IE3D ver. 10.03)을 통해 계산된다. 이러한 서로 다른 커플링간의 조화로 이 필터의 최종 출력값은 통과대역의 인근 주파수 대역에 폴(Transmission Pole or Attenuation Zero)을 형성하게 해주어 필터의 성능지표인 Q 값 (Quality Factor)를 향상시켜 준다. In addition, the amount of coupling intersecting between the
상기 제 1 간격(60), 제 2 간격(61) 및 제 3 간격(62)은 필터 설계조건에 입각하여 계산한 것으로서, 제 1 간격(60)은 1.92㎜로 하고, 상기 제 2 간격(61)은 1.61㎜로 하고, 상기 제 3 간격(62)은 1.67㎜로 제작하는 것이 가장 바람직하다.The
따라서, 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터는 통과대역의 양쪽 인접 주파수대역에 감쇄 극점이 생성되어 필터의 선택도가 향상된다.Therefore, the elliptic function four-stage bandpass filter using the microstrip split ring resonator generates attenuation poles in both adjacent frequency bands of the passband, thereby improving the filter selectivity.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 도시된 S11은 반사손실이고 S21은 삽입손실이며 이에 따른 상기 4단 대역통과 필터의 그래프는 1.95㎓의 중심주파수, 약 60㎒의 대역폭(Factional Bandwidth), 2.63dB 삽입손실, 반사손실은 26.10dB를 만족하도록 설계하고 그에 따른 측정값은 시뮬레이션 값보다 중심주파수가 다소 이동한 2.0㎓에서 삽입손실과 반사손실이 4.28dB, 13.0dB로 매우 흡사한 특성을 가진다. 또한, 통과대역의 양쪽의 인근 주파수대역(fo ± 81.5 ㎒)에서의 감쇄극점의 영향으로 스커트 특성(Skirt Characteristic)이 향상된다.6 is a graph of an elliptic function four-stage bandpass filter using a microstrip split ring resonator according to the present invention. First, S11 is a reflection loss and S21 is an insertion loss. The center frequency of, the 60MHz bandwidth (Factional Bandwidth), 2.63dB insertion loss, the return loss is designed to satisfy 26.10dB, and the measured value is the insertion loss and reflection at 2.0 한 with the center frequency slightly shifted from the simulation The loss is very similar to 4.28dB and 13.0dB. In addition, the skirt characteristic is improved by the influence of the attenuation poles in both adjacent frequency bands (f o + 81.5 MHz) of the pass band.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도로서, 상기 3단 대역통과 필터 구조도는 상기 도 3의 마이크로스트립 스플릿 링 공진기가 3개 모여 통과대역 필터를 구현한 상기 3개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(500), 제 2 공진기(600), 제 3 공진기(700)라 칭한다. 상기 3개의 공진기(500, 600, 700)를 이용한 필터는 제 3 공진기(700)를 90도 회전시킨 후 제 2 간격(71) 정도 이격시켜 제 1 공진기(500)와 제 2 공진기(600)를 배열하고 상기 제 1 공진기(500)와 제 2 공진기(600)는 공진기에 형성된 마이크로스트립 커플링 슬립 갭(40)의 개방된 측면을 제 1 간격(70)을 두고 서로 마주하도록 배열하여 필터를 구성하고, 상기 제 1 공진기(500)는 입력선로(510)가 되고 제 2 공진기(600)는 출력선로(610)가 되며, 4단 대역통과 필터와 달리 우측 고주파대역 방향의 인접 주파수 대역에 감쇄 극점이 생성되어 단지 한쪽의 차단 특성만이 향상되는 구조이다.7 is an elliptic function three-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention, wherein the three-stage bandpass filter structure diagram shows three microstrip split ring resonators of FIG. The three resonators are referred to as a
상기 제 1 간격(70), 제 2 간격(71)은 필터의 설계조건에 입각하여 계산한 것으로서, 제 1 간격(70)은 0.91㎜, 제 2 간격(71)은 0.55㎜가 바람직하다.The
상기 3단 필터는 3개의 공진기로 구성되며, 상기 설명한 바 있는 4단 필터와 같이 여러 가지 커플링 형태가 존재한다. 우선, 전기적인 커플링 형태가 제 1 공진기(500)와 제 2 공진기(600) 사이에 존재한다. 그 다음으로는 제 1 공진기(500)와 제 3 공진기(700) 및 제 2 공진기(600)와, 제 3 공진기(700) 사이에는 4단에서 언급한 제 2 혼합형 커플링(Mixed Coupling II)이 존재한다. 상기 제 2 혼합형 커플링은 전기적인 커플링과 자기적인 커플링을 동시에 가지며, 입력 신호의 대부분은 제 3 공진기(700)를 통해 제 2 공진기(600)를 거쳐 출력으로 전달된다. 이때 제 1 공진기(500)와, 제 2 공진기(600)의 커플링 세기는 상대적으로 매우 미약하지만, 메인 신호성분 중 그 일부를 이 혼합형 커플링의 형태로 전달하게 함으로써, 필터의 통과대역의 우측 인근주파수대역에는 폴이 생성된다. 따라서 필터의 성능지표인 Q 값이 훨씬 더 향상된다. 또한 이러한 3단의 필터 구조는 듀플렉서(Duplexer) 혹은 트리플렉서(Triplexer)처럼 한쪽 주파수 대역에 대해 상대적으로 월등한 차단특성을 주려할 때 사용하는 것으로 상기의 필터 구조는 매우 작은 크기와 월등한 성능으로 매우 효과적이다.The three-stage filter is composed of three resonators, and there are various coupling types as in the four-stage filter described above. First, an electrical coupling form exists between the
도 8은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 도시된 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 상기 3단 대역통과 그래프는 1.95㎓의 중심주파수와, 약 60㎒의 대역폭(Factional Bandwidth)에서 이론적 삽입손실과 반사손실은 각각 1.36dB, 23.53dB를 갖고 있는 바, 이에 따른 측정값은 시뮬레이션 값보다는 중심주파수가 다소 이동한 2.0㎓에서 삽입손실과 반사손실 2.77dB, 12.3dB로 매우 흡사한 특성을 가진다. 또한, 통과대역의 우측 고주파수 대역에서 설계치보다 약 13㎒ 더 이동한(fo ± 78 ㎒) 주파수에서 감쇄극점이 생성되어 스커트 특성이 향상된다.8 is an elliptic function three-stage bandpass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention. First, S11 is return loss, S21 is insertion loss, and the three-stage bandpass graph is 1.95 1 .. The theoretical insertion loss and return loss at the center frequency and at about 60 MHz of bandwidth (Factional Bandwidth) have 1.36dB and 23.53dB, respectively, and the measured values are inserted at 2.0㎓ with the center frequency slightly shifted rather than the simulation value. Loss and return loss are very similar to 2.77dB and 12.3dB. In addition, attenuation poles are generated at frequencies that are about 13 MHz further moved (fo ± 78 MHz) than the design value in the right high frequency band of the passband, thereby improving the skirt characteristic.
도 9는 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 구조도로서, 4개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(800), 제 2 공진기(900), 제 3 공진기(1000), 제 4 공진기(1100)라 칭하며, 상기 4개의 공진기(800, 900, 1000, 1100) 배열은 도 4에 도시된 배열구조와 동일하고 단지 간격의 차이가 있으며 제 1 공진기(800)와, 제 2 공진기(900) 사이의 제 1 간격(80)은 2.5㎜, 제 1 공진기(800) 및 제 2 공진기(900)와, 제 3 공진기(1000) 및 제 4 공진기(1100) 사이의 제 2 간격(81)은 0.95㎜, 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100) 사이의 제 3 간격(82)은 2.4㎜가 가장 바람직하다.9 is an elliptic function four-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention. For convenience, the four resonators include a
상기의 공진기 배열 방식은 도 5에 표시된 배열 구조와 동일한 것으로, 이 배열간의 차이인 각기 공진기간의 거리의 차이는 서로 다른 커플링의 형태에 기인한다. 제 1 공진기(800)와 제 2 공진기(900) 사이의 전기적인 커플링은 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100) 사이의 자기적인 커플링의 세기보다 상대적으로 약 1/2 수준이며, 주된 입력 신호성분은 제 3 공진기(1000)와 제 4 공진기(1100)를 거쳐 출력으로 전달된다. 다만, 이중 일부의 매우 미약한 신호의 세기만을 제 1 공진기(800)에서 제 2 공진기(900)로 전달함으로써, 필터의 통과대역의 인근 주파수대역 양쪽으로 폴을 생성하여 필터의 Q 값 내지는 선택도(Selectivity)를 향상시킬 수 있는 것이다. 그리고 여기에 사용된 공진기간의 상호 떨어진 거리는 서로 다른 각각의 커플링의 구조에 상응하는 커플링의 세기로 정해지며 이 커플링의 세기는 기존에 연구되어 왔던 타원함수 필터 이론(Elliptic Function Filter Theory)에 근거해 전자기 시뮬레이션(EM Simulation, IE3D ver. 10.03)을 통해 계산된다.The resonator arrangement method is the same as the arrangement structure shown in Fig. 5, and the difference in distance between the resonance periods, which is the difference between the arrangements, is due to the different coupling types. The electrical coupling between the
도 10은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 4단 대역통과 필터 그래프로서, 우선 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 4단 대역통과 필터는 2.46㎓의 중심주파수와, 약 100㎒의 대역폭에서 삽입손실은 1.8dB이고 반사손실은 26.27dB를 만족하도록 설계한 후에 삽입손실은 2.63dB, 16.9dB로 매우 흡사한 특성을 갖는다. 그리고 통과대역의 양쪽의 인근 주파수대역(f0 ± 112㎒)에서의 감쇄극점의 영향으로 루프필터를 사용해 구현하였을 때보다 성는과 사이즈가 매우 향상되는 작용을 한다.10 is a graph of an elliptic function four-stage bandpass filter using a microstrip split ring resonator according to the present invention. In the bandwidth of about 100MHz, the insertion loss is 1.8dB and the return loss is 26.27dB, and the insertion loss is 2.63dB and 16.9dB. In addition, the effect of attenuation poles in the adjacent frequency bands (f 0 ± 112 MHz) on both sides of the pass band improves the spacing and size significantly compared to the case of using the loop filter.
도 11은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역통과 필터 구조도로서, 3개의 공진기를 편의상 제 1 공진기(1200), 제 2 공진기(1300), 제 3 공진기(1400)라 칭하며 상기 3개의 공진기(1200, 1300, 1400) 배열은 도 7에 도시된 배열구조와 동일하고 단지 간격에 차이가 있으며 상기 제 1 공진기(1200)와, 제 2 공진기(1300) 및 제 3 공진기(1400) 사이의 제 2 간격(91)은 0.95㎜, 제 1 공진기(1200)와, 제 2 공진기(1300) 사이의 제 1 간격(90)은 1.21㎜가 바람직하다.FIG. 11 is an elliptic function three-stage bandpass filter structure diagram using a microstrip split ring resonator according to the present invention. For convenience, the three resonators are referred to as a
상기 도 7에 도시된 배열 구조와 동일한 것으로, 이 역시 4단에서 적용되지않았던 제 2 혼합형 커플링를 제 1 공진기(1200)와 제 3 공진기(1400) 그리고 제 2 공진기(1300)와 제 3 공진기(1400) 사이의 커플링 구조에 적용함으로써 통과대역의 우측 인근 주파수대역에 폴을 형성시켜 선택도와 차단특성을 향상시킨 구조이다. The same as the arrangement shown in FIG. 7, and the second hybrid coupling, which was not applied in the fourth stage, includes the
도 11은 본 발명에 따른 마이크로스트립 스플릿 링 공진기를 이용한 타원함수 3단 대역 통과 필터 그래프로서, 우선 S11은 반사손실이고, S21은 삽입손실이며 이에 따른 3단 대역통과 필터는 2.46㎓의 중심주파수와, 약 100㎒의 대역폭에서 이론적인 삽입손실과 반사손실은 각각 0.885dB, 30.95dB를 갖고, 측정값을 살펴보면 시뮬레이션 값보다는 중심주파수가 다소 이동한 2.512㎓에서 삽입손실과 반사손실이 1.35dB, 16.8dB로 매우 흡사한 특성을 자기는 것으로 입증되었다. 그리고 통과대역의 우측 고주파 대역에서는 설계치보다 약 90 ㎒ 더 이동한 (fo ± 209㎒) 주파수에서 감쇄극점이 생성되어 스커트 특성이 향상된다. 측정치에서의 약간의 주파수 이동은 제작과정에서의 공정상 한계로 발생한 불가피한 오차이다.FIG. 11 is an elliptic function three-stage bandpass filter graph using a microstrip split ring resonator according to the present invention. The theoretical insertion loss and return loss are 0.885dB and 30.95dB, respectively, in the bandwidth of about 100MHz. It has been proven to have very similar characteristics in dB. In the high frequency band on the right side of the pass band, the attenuation pole is generated at a frequency shifted approximately 90 MHz (f o ± 209 MHz), which improves the skirt characteristic. Slight frequency shifts in the measurements are inevitable errors due to process limitations in the manufacturing process.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 사용된 특정한 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것일 뿐 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 그 러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The best embodiments have been disclosed in the drawings and specification above. The specific terminology used herein is for the purpose of describing the present invention only and is not intended to be limiting of meaning or the scope of the invention as set forth in the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 구조에 의하여 캐패시턴스와, 분포 캐패시턴스의 등가 정정용량을 크게 함으로써, 커플링 효율을 향상시켜 공진기의 품질과 선택도를 개선한 초소형 마이크로스트립 스플릿 링 공진기 구조를 3단, 4단 배열하여 성능이 향상된 필터를 제공함으로써, 마이크로파 및 밀리미터파 회로에서 필터, 듀플렉스, 오실레이터, 믹서 등에 응용되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the microstrip split ring resonator structure increases the capacitance and the equivalent capacitance of the distributed capacitance, thereby improving the coupling efficiency and improving the quality and selectivity of the resonator. By arranging the resonator structure in three stages and four stages to provide a filter with improved performance, the resonator structure can be applied to filters, duplexes, oscillators and mixers in microwave and millimeter wave circuits.
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |