KR100866636B1 - 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자 - Google Patents

전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개방된 공진기에 적용되는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자에 관한 것으로서, 기판에 형성되고 서로 결합되어 있는 하나 이상의 개방된 공진기들(open-circuited resonators)과; 상기 공진기들에 대응하는 하나 이상의 전송선 조각들과; 상기 개방된 공진기의 개방된 끝 부분과 상기 전송선 조각의 개방된 끝부분 사이마다 각기 연결되는 가변 커패시터들(tunable capacitors)을 포함하여 가변공진기(tunable resonator)를 구성되어, 소자의 크기는 더 작지만 더 좋은 가변특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 개방스텁 또는 계단임피던스 등에 적용되는 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들에 관한 것이며, 이 가변소자들은 전송선 조각을 사용하여 기판에 구멍을 뚫고 비아를 통해 접지해야 할 필요가 없으므로 제작공정이 쉬워서 좋은 신뢰성을 얻을 수 있다.

Description

전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자{Tunable device for microwave/millimeter wave application using a transmission line strip}
도 1a는 인용논문에서 제안한 개방된 공진기를 가진 가변공진기를 나타낸 도면.
도 1b는 접지된 기존의 가변공진기를 나타낸 도면.
도 1c는 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 2a는 하나의 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 2b는 종래기술의 공진기를 적용한 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 2c는 시뮬레이션으로 구한 도 2a의 공진주파수 변화 그래프를 나타낸 도면.
도 2d는 시뮬레이션으로 구한 도 2b의 삽입손실 변화 그래프를 나타낸 도면.
도 2e는 시뮬레이션으로 구한 전송선 조각의 물리적인 길이가 공진기의 물리적인 길이와 같거나 큰 경우의 삽입손실 변화 그래프.
도 3a 내지 도 3e는 수학식 1로 계산한 가변공진기의 공진지점과 전송영점을 보여주는 도면.
도 4는 개방스텁을 사용하여 임피던스를 가변하는 기존방법들을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 의한 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 5c는 시뮬레이션으로 구한 도 5a 및 도 5b의 가변 대역통과필터의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 5d는 시뮬레이션으로 구한 공진주파수 변화 그래프를 나타낸 도면.
도 5e는 본 발명에 따른 공진기와 입출력 급전선들을 설명하기 위한 도면.
도 6a는 3개의 공진기들이 결합되는 있는 종래기술의 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 6b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 6c는 시뮬레이션으로 구한 5개의 공진기들이 결합된 도 6a 및 도 6b의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 7a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 7b 및 도 7c는 본 발명에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 7d는 본 발명에 따른 4개의 가변공진기들이 결합되어 있는 가변 헤어핀 소자를 나타낸 도면.
도 7e는 도 7d를 제작하여 측정한 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 7f는 가변공진기의 공진기와 전송선 조각이 계단 임피던스 형태인 경우를 나타낸 도면.
도 7g는 본 발명의 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면.
도 8a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 저지대역필터를 나타낸 도면.
도 8b는 시뮬레이션으로 구한 도 8a의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 9a는 임피던스 정합회로에 사용되는 종래기술의 개방스텁을 나타낸 도면.
도 9b는 본 발명에 따른 개방스텁에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자를 나타낸 도면.
도 9c는 시뮬레이션으로 구한 도 9a 및 도 9b의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 9d는 본 발명에 의한 복수개의 개방스텁에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자를 도시한 도면.
도 9e는 시뮬레이션으로 구한 도 9d의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 9f는 본 발명에 의한 계단임피던스에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자를 나타낸 도면.
도 9g는 시뮬레이션으로 계산한 도 9f의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면.
도 10a는 종래기술에 의한 가변소자를 도시한 도면.
도 10b는 본 발명에 따른 가변소자를 도시한 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 가변공진기 11, 403: 공진기
12, 405: 가변 커패시터 13, 406: 전송선 조각
401, 402: 입, 출력 급전선 401a, 402a: 급전선의 끝부분
403a: 공진기의 개방된 끝부분
본 발명은 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들에 관한 것으로, 구체적으로 전송선 조각을 사용하여 접지할 필요가 없기 때문에 제작공정이 쉽고 좋은 신뢰성을 얻을 수 있으며 또한 제작가격도 낮출 수 있는 개방된 공진기와 개방스텁과 계단임피던스 등에 적용되는 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들에 관한 것이다.
소득수준이 높아짐에 따라서 하나의 이동통신 기기를 가지고 여러 대역들 또는 다른 통신시스템들에서 사용하고자 하는 요구가 점점 증가하고 있다. 이에 따라서 다기능 다중대역(multifunctional multiband)에서 동작하는 무선(RF, radio frequency) 시스템들을 구현하기 위한 가변소자들(tunable devices)의 필요가 증가하고 있다. 상기 가변장치들을 사용하면 같은 하드웨어를 가지고도 다중대역에서 사용할 수 있으므로 제품의 크기와 무게를 줄이면서도 고기능을 구현할 수 있다.
공진주파수 또는 차단주파수 등을 연속적으로 변화시키기 위해서 사용되는 가변 커패시터(tunable capacitor)들에는 일반적으로 전기용량을 바꾸어 주는 멤스(MEMS, micro electromechanical systems)를 이용한 가변 멤스 커패시터들과 반도체 버랙터(varactor)들 등이 사용되고, 또한 전기장(또는 자기장)의 세기에 따라서 유전체(또는 자성체) 물질의 유전상수(또는 투자율)를 바꾸는 가변 유전체(또는 자성체) 커패시터들 등이 사용된다. 이때 가변 유전체 커패시터는 유전체 버랙터라고 부르기도 한다. 이들은 주로 마이크로파용 또는 밀리미터파용의 필터, 위상 천이기(phase shifters), 감쇄기(attenuators), 제한기(limiters), 발진기(oscillators), 분배기(dividers), 안테나, 임피던스 정합회로 등 아주 다양하게 사용된다.
가변 커패시터를 사용한 가변 대역통과필터의 예는 미국 특허 US 4,835,449, US 6,717,491B2, US 5,888,942와 국내특허 등록번호 10-0344785, 10-0393804와 공개번호 10-2005-0110430 등이 있고, 또한 가변 저지대역필터의 예는 미국특허 US 2006/0152303A1, US 5,448,210 등이 있으며, 그리고 가변 안테나의 예는 미국특허 US 6,333,719 B1 등이 있다. 가변 커패시터들 중에서 가변 유전체 커패시터는 미국 특허 US 6,531,936B1, US 6,717,491B2, US 6,686,817B2, US 6,404,614B1 등에서 사용했다.
기존의 가변공진기는 공진기의 개방된 끝부분과 접지사이에 가변 커패시터를 연결하고 가변 커패시터의 전기용량(capacitance) 또는 유전율 등을 바꿔서 공진주파수를 가변한다.
하지만, 마이크로스트립(microstrip)이나 스트립라인(stripline) 구조와 같이 전송선과 접지가 다른 면에 위치한 평판형태의 기판 위에서 기존의 가변공진기를 제작할 경우 기판에 구멍을 뚫고 가변 커패시터와 접지를 비아(via)를 통해서 연결시켜야 하는 공정이 더 포함되며, 이러한 공정은 돈이 많이 들고 구현하기도 쉽지 않으며, 특히 고주파에서는 비아의 위치에 따른 특성변화가 심하다는 단점을 가진다.
이런 단점들을 개선한 접지가 필요가 없는 가변공진기(tunable resonator)가 제안되었다. 이 가변공진기는 참조 문헌인 V. Pleskachev and I. Vendik, "Figure of merit of tunable ferroelectric planar filter," Millimeter and Submillimeter Waves ( MSMW'04 ): Kharkov, Ukraine, June, pp. 21-26, 2004와 I. Vendik, O. Vendik, V. Pleskachev and M. Nikol'ski, "Tunable microwave filters using ferroelectric materials," IEEE Transaction on Applied Superconductivity , vol. 13, no. 2, pp. 716-719, 2003과 V. Pleskachev and I. Vendik, "Figure of merit of tunable ferroelectric planar filters," Proc . 33 rd European Microwave conference, Munich, pp. 191-194, 2003 등에서 제공하고 있다.
도 1a는 상기 인용논문에서 제안한 가변공진기들 중에서 개방된 공진기(open-circuited resonator)를 사용한 가변공진기(또는 개방된 공진기에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자)이다. 아래에서 상기 개방된 공진기를 사용한 가변 소자는 편의를 위해서 가변공진기로 부르기로 하자. 도 1b는 접지가 필요한 기존의 가변공진기를 나타낸 도면이다. 도 1c는 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터(tunable bandpass filter)를 나타낸 도면이다. 도 1a의 참조 부호
Figure 112007005328616-pat00001
은 공진기(11)와 전송선 조각(13)의 물리적인 길이를 나타내고, 아래첨자 0과 1은 각각 공진기(11)와 전송선 조각(13)을 나타낸다.
상기 인용논문에서 제안한 도 1a의 가변공진기(10)는 공진기(11)와 전송선 조각(13)과 가변 커패시터(12)로 구성된다. 그러므로 도 1a의 상기 가변공진기(10)는 도 1b와 달리 전송선 조각(13)을 사용하여 접지할 필요가 없다. 하지만, 도 1b에 보인 기존 가변공진기(20)는 접지가 다른 평면에 위치할 경우 공진기(11)와 연결된 가변 커패시터(12)를 비아를 통해서 접지(14)와 연결해야 한다. 도 1c의 가변 대역통과필터(100)에서 신호의 입/출력을 위한 급전선들(101, 102)은 가변공진기들의 양쪽 부분들에 평행 결합되어 있다.
하지만, 인용논문에서 제안한 가변공진기(10)를 살펴보면, 가변공진기(10)의 구성요소들 중에서 전송선 조각(13)의 전기적 길이가 반파장(λg/2)보다 길다. 여기서 λg는 관내파장(guided wavelength)을 나타낸다. 즉, 인용논문에서 제안한 공진기(11)의 전기적인 길이(θ 0)는 전송선 조각(13)의 전기적 길이(θ 1)보다 더 길다. 여기서 θ는 전기적인 길이를 나타낸다. 그 이유는 삽입손실(insertion loss)과 공진조건으로 부터 구한 변경가능한 주파수 대역(tunability)에 의존하는 성능지 수(figure of merit)를 인용논문에서 새롭게 정의하고, 이 성능지수가 최적이 되는 전송선 조각(13)의 전기적 길이를 구하였기 때문이다.
인용논문들 중 MSMW'04의 경우 개방된 공진기에서 구한 성능지수가 최적이 되는 공진기(11)의 전기적 길이는 약 80˚이고, 전송선 조각(13)의 전기적 길이가 약 100˚인 경우가 예시되어 있다. 즉 인용논문에서 전송선 조각(13)의 전기적 길이(θ 1)는 반파장보다 더 길다. 이것은 MSMW'04에서 보인 그림4에서도 확인할 수 있다. 하지만, 인용논문에서 제시한 조건을 가진 가변공진기(10)는 전송영점 때문에 치명적인 단점을 가진다.
먼저, 인용논문에서 제안한 가변공진기(10)의 특성을 알아보자. 도 2a는 하나의 가변공진기(203)를 적용한 가변 대역통과필터를 예시한 도면이고, 도 2b는 종래기술(prior art)에 의한 공진기(203b)를 적용한 대역통과필터를 예시한 도면이다. 도 2a는 도 1c에서 공진기가 한 개인 경우에 해당한다.
도 2b는 종래기술에 의한 공진기(203b)를 적용한 대역통과필터를 보여주는 것이고, 이 종래기술에 의한 대역통과필터는 도 2a에서 가변을 위한 전송선 조각과 가변 커패시터가 제거된 소자이다. 도 2b의 공진기(203b)는 양 끝부분이 모두 개방되어 있다. 도 2c는 시뮬레이션으로 구한 도 2a의 공진주파수 변화 그래프를 나타낸 도면이다. 이때, 개방된 공진기(203)의 물리적인 길이와 가변 커패시터(204)의 전기용량(C L )은 각각 13 mm와 0.2 pF으로 고정하였고 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00002
)만을 변경하였다. 그리고 도 2c에 도시된 그래프에 표시된 λg/64, λg/32, λg/8, λg/4는 각각 0.40625 mm, 0.8125 mm, 1.625 mm, 3.25 mm, 6.5 mm에 해당된다. 도 2c에서 보는 것 같이 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00003
)가 길어지면 공진주파수는 낮아진다. 이하, 본 발명에서는 시뮬레이션들에서 공진기와 전송선 조각의 폭은 0.6 mm로 고정하고 공진기의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00004
)를 13 mm로 고정하였다.
도 2d는 시뮬레이션으로 구한 도 2a와 도 2b의 삽입손실 변화 그래프를 나타낸 도면이다. 도 2d는 도 2a와 도 2b에서 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00005
)가 공진기(203)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00006
)와 같거나 작은 경우의 삽입손실 그래프이다. 도 2d에 도시된 파선(broken line)과 점선(dotted line)은 도 2a에서 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00007
)가 각각 6.5 mm(
Figure 112007005328616-pat00008
<
Figure 112007005328616-pat00009
)와 13 mm(
Figure 112007005328616-pat00010
=
Figure 112007005328616-pat00011
)인 경우의 삽입손실 그래프이다. 그리고 도 2d에 보인 실선(종래기술)은 도 2b에서 구한 대역통과필터의 삽입손실 그래프를 나타낸다. 이때 공진기(203)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00012
)는 13 mm로 고정하였다. 여기서, 주목할 것은 실선(종래기술)과 파선(
Figure 112007005328616-pat00013
<
Figure 112007005328616-pat00014
)의 경우 4.26 GHz와 3.99 GHz에서 각각 하나의 통과대역 또는 공진주파수가 나타나지만, 전송선 조각(205)과 공진기(203)의 물리적인 길이가 13 mm로 같은 경우(
Figure 112007005328616-pat00015
=
Figure 112007005328616-pat00016
)인 점선에서는 3.75 GHz와 4.33 GHz에서 두 개의 통과 대역이 나타난다는 것이다.
이와 달리 도 2e는 시뮬레이션으로 구한 전송선 조각(205)의 물리적인 길 이(
Figure 112007005328616-pat00017
)가 공진기(203)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00018
)와 같거나 큰 경우의 삽입손실 그래프를 보여준다. 도 2e에 도시된 실선은 전송선 조각(205)과 공진기(203)의 물리적인 길이가 13 mm로 서로 똑같은 경우(
Figure 112007005328616-pat00019
=
Figure 112007005328616-pat00020
)를 나타낸다. 그리고 파선과 점선은 각각 공진기(203)의 물리적인 길이보다 전송선 조각(205)의 물리적인 길이가 더 긴 경우(
Figure 112007005328616-pat00021
>
Figure 112007005328616-pat00022
)인 15 mm(파선)와 19 mm(점선)에 해당한다. 상기 도 2e의 파선과 점선의 경우는 인용논문에서 제안한 가변공진기(10)가 최적의 성능지수를 가지는 최적조건에 해당한다.
하지만, 도 2e에서 특히 주목할 점은
Figure 112007005328616-pat00023
=
Figure 112007005328616-pat00024
(실선)에서는 두 개의 통과대역이 나타나지만,
Figure 112007005328616-pat00025
>
Figure 112007005328616-pat00026
(파선, 점선)인 경우는 낮은 주파수의 통과대역이 사라진다는 것이다. 이것과 더불어 주목할 점은 도 2(e)에서
Figure 112007005328616-pat00027
>
Figure 112007005328616-pat00028
, 즉
Figure 112007005328616-pat00029
= 15 mm(파선)과
Figure 112007005328616-pat00030
= 19 mm(점선)인 경우의 공진주파수는 각각 4.02 GHz와 4.13 GHz이지만, 이것들보다 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00031
)가 더 짧은 도 2(d)의 파선(
Figure 112007005328616-pat00032
<
Figure 112007005328616-pat00033
), 즉 1 = 6.5 mm인 경우의 공진주파수는 3.99 GHz로 더 긴 경우들보다 더 낮다는 것이다.
결론적으로, 도 2d와 도 2e를 비교하면 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00034
)가 더 짧은 경우(
Figure 112007005328616-pat00035
= 6.5 mm)가 이것보다 더 긴 경우(
Figure 112007005328616-pat00036
= 15 mm 또는 19 mm, 즉 인용논문의 최적조건)보다 더 낮은 공진주파수를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 기존 마이크로파 소자들의 가장 큰 문제점이 소자의 크기가 너무 크다는 것임을 생각할 때 인용논문에서 제안한 가변공진기의 이런 특성은 치명적인 단점이 된다.
인용논문에서 제안한 가변공진기의 단점이 발생되는 원인을 찾기 위해서, 상기 도 1a에 보인 가변공진기의 입력 임피던스(Z in )를 구하여 수학식 1에 나타냈다.
Figure 112007005328616-pat00037
그리고 비교를 위해서 인용논문에 제시한 가변공진기의 공진조건을 수학식 2에 나타내었다.
Figure 112007005328616-pat00038
도 1a의 가변공진기가 공진할 조건은 상기 수학식 1의 입력 임피던스가 무한대가 될 때이다. 더 구체적으로 수학식 1의 분모항이 0이 될 때 공진을 한다. 즉, 수학식 1의 공진조건은 분모항이 0이 될 때이며 인용논문에서 제안한 수학식 2 의 공진조건은 수학식1의 공진조건을 간략화된 수식이다. 즉, 수학식 2는 수학식 1의 분모항이 0이 되고 전송선 조각(205)과 공진기(203)의 폭이 같을 때 수학식 1의 간략화된 수식에 해당한다. 수학식 1과 수학식 2의 z, y와 w는 각각 임피던스, 어드미턴스, 각주파수를 나타낸다. 이때, 수학식들에 표시된 전기적 길이(θ)는
Figure 112007005328616-pat00039
이며, 여기서 , ε r , f, c는 각각 물리적인 길이, 실효 비유전율, 주파수, 그리고 빛의 속도를 나타낸다. 이하 편의를 위해서, 수학식 1의 분모항과 분자항을 각각 분자항 또는 분모항으로 칭하자.
앞에서 언급한 것과 같이, 수학식 1의 입력 임피던스가 인용논문에서 제공한 수학식 2의 공진 조건보다 도 1a에서 보인 가변공진기에 대한 더 많은 정보를 포함하고 있다. 즉, 수학식 1에 보인 입력 임피던스의 경우 분모항이 0이 되는 곳이 공진지점이 되지만 또한 입력 임피던스의 분자항이 0이 되는 곳에서 입력 임피던스가 0이 되므로 신호를 전송하지 않는 전송영점(transmission zero)이 발생된다는 것이 중요하다. 하지만, 인용논문에서 제시한 수학식 2의 공진조건에는 전송영점에 대한 정보가 없다.
도 3a 내지 도 3e는 수학식 1로 계산한 가변공진기의 공진지점과 전송영점을 나타낸 도면이다. 도 3a 내지 도 3e에서 P1, P2, P3 지점은 입력 임피던스의 분모(denominator)항이 0이 되는 공진지점이며 P' 지점은 분자(numerator)항이 0이 되는 전송영점을 나타낸다. 이때, 공진기(203)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00040
)는 13 mm로 고 정하였다. 분모항이 0이 되는 지점, 즉 입력 임피던스가 무한대가 되는 곳에서 공진, 즉 통과대역이 생긴다.
도 3a와 도 3b는 전송선 조각(205)의 물리적인 길이가
Figure 112007005328616-pat00041
= 6.5 mm(λg/4)이고 정전용량(C L )이 0.2 pF일 때 계산한 값이다. 이것은 시뮬레이션으로 계산한 도 2d의 파선에 해당한다. 도 3a에서는 수학식 1로 계산한 분모항(파선)과 분자항(실선)의 그래프를 보여주고, 도 3b에서는 분모항(파선)의 확대된 모습을 보여준다. 도 3a에서 보는 것과 같이
Figure 112007005328616-pat00042
= 6.5 mm(λg/4)인 경우 분자항(실선)은 0보다 항상 큰 값을 가진다. 그리고 도 3b에서 보는 것과 같이, 분모항(파선)은 P1 지점인 약 4 GHz에서 0이 되며, 이 주파수에서 공진이 발생한다. 이 공진주파수는 같은 조건에서 시뮬레이션으로 구한 결과인 도 2d에서 파선의 공진주파수인 3.99 GHz와 잘 일치한다. 그리고 도 3a에서 보는 것과 같이
Figure 112007005328616-pat00043
= 6.5 mm(
Figure 112007005328616-pat00044
<
Figure 112007005328616-pat00045
)에서는 입력 임피던스의 분자항(실선)은 항상 0보다 크므로 전송영점이 발생하지 않는다는 것이 중요하다.
이제, 도 2e에서 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00046
)가 15 mm와 19 mm(
Figure 112007005328616-pat00047
>
Figure 112007005328616-pat00048
)일 경우 두 개의 통과대역들이 왜 생기고 이들 중에서 낮은 주파수를 가진 통과대역이 왜 사라지는지 그 원인을 알아보자. 도 3c는 전송선 조각(205)의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00049
)가 15 mm일 경우 수학식 1로 계산한 분자항(실선)과 분모항(파선) 의 그래프이고, 도 3d는 분자항(실선)과 분모항(파선)을 확대한 모습이다. 도 3a의 분자항(실선)과 달리, 도 3c의 분자항(실선)은 P' 지점에서 0이 되는 곳이 존재한다. 즉, 이 지점에서 수학식 1의 입력 임피던스의 값이 0이 되어 신호를 전송하지 않는 전송영점이 생긴다. 또한 전송선 조각의 물리적인 길이가
Figure 112007005328616-pat00050
= 6.5 mm인 도 3b에서 분모항(파선)이 0이 되는 곳은 P1 한 지점이지만, 이와 달리
Figure 112007005328616-pat00051
= 15 mm인 경우는 도 3d에서 분모항(파선)이 0이 되는 곳은 P2와 P3 두 지점들이다.
다시 말하자면, 도 3d의 경우 P2와 P3 두 지점들에서 공진이 이루어져서 두 개의 통과대역들이 생긴다. 하지만, 도 3d에서 주목할 점은 분자항(실선)이 0이 되는 공진 지점인 P2 지점이 분모항(파선)이 0이 되는 전송영점인 P' 지점과 매우 가까이 위치한다는 것이다. 이 때문에 시뮬레이션으로 구한 도 2e에서 전송선 조각(255)의 물리적인 길이가
Figure 112007005328616-pat00052
= 15 mm와 19 mm(
Figure 112007005328616-pat00053
>
Figure 112007005328616-pat00054
0)일 경우 공진지점인 P2 지점이 전송영점인 P'에 가까이 위치하여 이들이 서로 상쇄되어 P2 지점의 통과대역이 사라진다.
이제, 시뮬레이션으로 구한 도 2e의 실선(
Figure 112007005328616-pat00055
= 0)의 경우 두 개의 통과 대역들이 생기는 원인을 알아보자. 도 3e는 전송선 조각(255)과 공진기(203)의 물리적 인 길이들이 13 mm로 동일(
Figure 112007005328616-pat00056
=
Figure 112007005328616-pat00057
)하고 가변 커패시터의 정전용량 C L 이 0.2 pF일 경우 수학식 1로 계산한 결과이다. 도 3e에서 보는 것과 같이, 입력 임피던스의 분모항이 0이 되는 P2와 P3의 두 공진지점들이 존재하고 또한 그 두 지점들의 거의 중간에 전송영점인 P'이 위치한다. 그래서 같은 조건에서 시뮬레이션으로 구한 도 2e의 실선의 경우 분모항이 0이 되는 P2 지점(3.75 GHz)과 P3 지점(4.33 GHz)에서 공진이 발생하지만, 이들의 거의 중간지점인 4.11 GHz에서는 전송이 일어나지 않는 전송영점(P')이 생기는 것을 확인할 수 있다. 이 상태에서 전송선 조각(205)의 물리적인 길이가 13 mm보다 더 클 때(
Figure 112007005328616-pat00058
>
Figure 112007005328616-pat00059
0) 수학식 1로 계산을 해보면 전송영점인 P' 지점의 위치는 높은 공진주파수인 P3 지점에서 점점 더 멀어지고 낮은 통과대역인 P2 지점으로 점점 더 접근하는 것을 알 수 있다.
이 때문에 인용논문에서 제안한 가변공진기의 성능지수가 최적이 되는 조건에서는 공진지점인 P2 지점에서 공진이 생기지 않게 된다. 종합하여 말하자면, 인용논문들에서 제안한 가변공진기는 전송선 조각의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00060
)가 반파장보다 길기 때문에 전송영점이 발생된다. 이 때문에 인용논문들에서 제안한 가변공진기는 전송선 조각의 물리적인 길이(
Figure 112007005328616-pat00061
)가 반파장보다 작은 경우보다 소자의 크기는 더 크지만 공진주파수는 더 높다는 치명적인 단점을 가진다.
이제, 임피던스 정합회로에 대해서 알아보자. 임피던스 정합회로는 주로 신 호를 공급하는 급전선(feed line)과 부하(load) 사이에 추가되어 특정 주파수 대역에서 부하에 최대 전력이 전달되도록 한다. 즉, 급전선과 부하 사이의 임피던스가 서로 정합되어 있지 않으면 부하에 의해서 반사파가 발생되어 전력손실이 생기게 된다. 임피던스 정합회로는 안테나, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 전압제어 발진기(VCO) 등에 주로 많이 사용된다. 그리고 1 GHz 이상의 높은 주파수에서 사용되는 임피던스 정합방법은 주로 스텁(stub)을 사용한다.
도 4는 개방스텁을 사용하여 임피던스를 가변하는 기존방법들을 보여준다. 도 4a는 입, 출력용 전송선들(301, 302)에 연결된 개방스텁(303)과 그 개방스텁의 끝부분과 접지 사이에 가변 커패시터(304)가 연결되어 있으며, 가변 커패시터(304)의 전기용량을 바꿈으로써 임피던스를 연속적으로 바꿀 수 있다. 하지만, 이 소자는 가변 커패시터(304)를 접지해야 한다는 단점을 가진다. 그리고 도 4a에서는 하나의 개방스텁이 사용되지만, 더 넓은 주파수 대역에서 임피던스가 정합되도록 하기 위해서 복수개의 스텁들을 사용한다.
또한 도 4b는 인용 문헌(US 6,759,917B2)에서 제안한 임피던스를 가변하기 위한 방법으로 개방스텁(305)의 물리적인 모양을 변경하여 임피던스를 바꾸는 방법이며, 이 방법은 개방스텁(305)의 끝부분(307) 또는 개방스텁(305)의 특정부분(306)을 조금 잘라내는 방법으로 임피던스를 조정한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소자의 크기 를 최소화하면서 가변 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 공진주파수를 가변할 수 있는 개방된 공진기에 적용된 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 접지할 필요가 없는 개방스텁 또는 계단임피던스 등에 적용되는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 기판에 구멍을 뚫고 비아를 통해 접지해야 할 필요가 없고, 또한 이를 LTCC나 다층기판 등에 적용하면 제작공정이 쉬워서 좋은 신뢰성을 얻을 수 있음은 물론 제작가격도 낮출 수 있는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들을 제공하는데 그 목적이 있다.
앞에서 언급한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개방된 공진기에 적용되는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는 기판에 형성되고 서로 결합되어 있는 하나 이상의 개방된 공진기들(open-circuited resonators)과; 상기 개방된 공진기 각각에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과; 상기 개방된 공진기의 개방된 끝 부분과 상기 전송선 조각의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들(tunable capacitors)을 포함하여 가변공진기(tunable resonator)를 이루되, 상기 전송선 조각들의 전기적인 길이는 반파장(λg/2)보다 작 거나 같은 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 공진기의 양쪽 끝부분은 각기 전송선 조각의 양쪽 끝부분에 마주하며, 상기 가변 커패시터는 각각의 마주하는 공진기의 개방된 끝부분과 전송선 조각의 개방된 끝부분 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 개방스텁에 적용된 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는, 기판에 형성되고 전송선에 직접 연결된 하나 이상의 개방스텁들과; 상기 개방스텁 각각에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과; 상기 개방스텁들의 끝부분과 상기 전송선 조각들의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 계단임피던스에 적용할 수 있는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는, 기판에 형성되어 전송선의 일부를 이루는 하나 이상의 계단임피던스(stepped impedance)들과; 상기 계단임피던스들에서 낮은 임피던스 부분에 각각 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과; 상기 계단 임피던스의 낮은 임피던스부분과 상기 전송선 조각들의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는, 기판에 형성되고 신호를 전달하는 전송선과; 상기 전송선에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과; 상기 전송선과 상기 전송선 조각의 개방된 끝부분들 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전송선 조각들의 전기적인 길이는 반파장(λg/2)보다 작거나 같은 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 가변 커패시터는, 반도체 버랙터, 가변 유전체 커패시터, 가변 자성체 커패시터, 가변 멤스(MEMS) 커패시터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판은, 다층기판인 또는 고온 초전도체 기판인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 가변 커패시터로 가변 유전체 커패시터(또는 유전체 버랙터)를 사용한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개방된 공진기들, 상기 전송선 조각들, 또는 상기 개방스텁들은 높은 임피던스 부분과 낮은 임피던스 부분으로 구성된 계단 임피던스로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는 소형화를 위해서 MMIC, MIC, LTCC, 또는 적층된 인쇄회로기판 중 하나에 내장되거나, 무선통신 모듈에 포함되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판은 평판(planar) 형태인 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하였다.
(제1 실시예 )
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 가변공진기(개방된 공진기에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자)의 구성요소들 중에서 전송선 조각(406)의 전기적인 길이(θ 1)는 상기 인용논문과 달리 반파장(λg/2)보다 작거나 같다. 본 발명에 따른 가변공진기는 상기 도 5a 및 도 5b에 보인 것과 같이, 공진기(403)의 한쪽 끝부분 또는 양쪽 끝부분과 전송선 조각들(406,408)사이에 연결된 가변 커패시터들(405, 407)로 구성된다. 그리고 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 입, 출력 급전선들(401, 402)은 가변공진기와 전기적으로 결합되어 있다. 상기 수학식 1에서와 같이, 전송선 조각과 공진기의 폭을 변경하면 전기적 길이(θ)가 바뀌게 되어 가변공진기의 공진주파수를 변화시킬 수 있다.
도 5c는 시뮬레이션으로 구한 도 5a 및 도 5의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면이다. 이때, 공진기(403)와 전송선 조각들(406,408)의 물리적인 길이는 각각 13mm와 2 mm로 각각 고정하였고 가변 커패시터들(405, 407)의 전기용량만을 바꾸었다. 도 5c의 실선은 도 5a의 가변 커패시터(405)의 전기용량이 0.2 pF일 때 삽입손실을 보여준다. 그리고 점선은 도 5b의 두 가변 커패시터들(405, 407)의 전기용량이 모두 0.2 pF일 때 삽입손실을 보여주고, 파선은 두 가변 커패시터들(405, 407) 의 전기용량이 하나는 0.1 pF이고 나머지는 0.2 pF으로 서로 다를 때의 삽입손실을 보여준다.
도 5c에서 보는 것과 같이, 실선과 파선과 점선의 공진주파수는 각각 4.08 GHz, 4.01 GHz, 그리고 3.93 GHz이다. 도 5c에서와 같이, 파선의 공진주파수는 실선과 점선의 공진주파수들의 거의 중앙에 위치한다. 참고로 도 5a에서 가변 커패시터(405)와 전송선 조각(406)이 제거된 종래기술에 의한 대역통과필터의 공진주파수는 4.25 GHz이다.
도 5d는 시뮬레이션으로 구한 가변 대역통과필터의 공진주파수 변화 그래프를 나타낸 도면으로, 5a와 도 5b의 가변 커패시터들(405, 407)의 전기용량만 바꾸고 그 외의 조건들은 고정했을 때의 결과이다. 도 5d의 네모와 동그라미는 각각 도 5a와 도 5b에서 시뮬레이션으로 구한 결과이며, 이때 도 5b의 경우 두 커패시터들(405, 407)의 전기용량은 같게 했다. 도 5d에서 보는 것과 같이, 도 5a의 공진주파수 변화는 도 5b의 공진주파수의 변화보다 거의 2배 더 작다. 그러므로 도 5b의 가변 대역통과필터를 사용하면 공진주파수를 더 크게 가변할 수 있다.
도 5e는 본 발명에 따른 가변공진기와 입, 출력 급전선들의 연결 구조를 설명하기 위한 도면으로, 도 5a와 같이 입, 출력 급전선들(401, 402)들은 공진기(403)와 전기적으로 결합되어 있을 수도 있고, 또한 도 5e와 같이 입, 출력 급전선들(411, 412)들이 양 쪽의 공진기들(415 ~ 417)에 직접 연결될 수도 있다.
그리고 도 5a와 도 5b의 가변 대역통과필터는 한 개의 가변공진기를 가지고 있지만 복수개의 가변공진기들이 결합되어 있을 수 있다.
또한, 공진기들 또는 전송선 조각들은 계단 임피던스 형태일 수 있다.
아울러, 도 5a와 도 5b에와 같이, 급전선의 개방된 끝부분들(401a, 402a)은 접지와 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 가변 커패시터는 공진주파수, 차단주파수 또는 임피던스 등을 가변할 수 있는 반도체 버랙터, 가변 유전체 커패시터, 가변 자성체 커패시터, 가변 멤스 커패시터 등일 수 있다.
반도체 버랙터는 반도체 버랙터 다이오드와 반도체 MOS(metal-oxide semiconductor) 버랙터 등을 포함하고, 가변 멤스 커패시터와 가변 유전체(자성체) 커패시터는 각각 멤스 버랙터와 유전체(자성체) 버랙터라 칭하기도 한다.
가변 유전체 커패시터와 이를 위한 박막은 M. lancaster, J. Powell and A. Porch, "thin-film ferroelectric microwave devices," Supercond . Sci . Technol ., no. 11, pp. 1323, 1998과 국내특허 등록번호 10-0659974 등에서 소개하고 있다.
이때, 상기 가변공진기는 헤어핀(hairpin), 헤어핀-콤(hairpin-comb), 콤라인(combline), 듀플렉서(duplexer), 또는 디플렉서(diplexer) 등에 적용되는 것을 특징으로 한다.
(제2 실시예 )
도 6a는 3개의 공진기들(502~504)이 결합된 종래기술에 의한 대역통과필터를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면이다.
그리고 도 6c는 5개의 공진기들이 결합된 도 6a 및 도 6b를 직접 제작하여 측정한 삽입손실 그래프를 나타낸 도면이다. 도 6c의 네모는 도 6a에서 측정한 삽입손실을 보여주고, 동그라미는 도 6b의 가변 커패시터들(505~507)의 전기용량이 모두 0.5 pF일 때 측정한 삽입손실을 보여준다. 이때 공진기들(502~504)과 전송선 조각들(508~510)의 물리적인 폭과 길이는 각각 0.4x10 mm와 1x1 mm이였고, 공진기들 사이의 간격은 1 mm이였다. 또한, 가변 대역통과필터에 적용된 가변공진기는 상기 도 5b와 동일한 구조를 가질 수 있다.
(제3 실시예 )
본 발명에 의한 가변공진기는 기존의 헤어핀(hairpin) 또는 헤어핀-콤(hairpin-comb)에 적용할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 나타낸 도면이다. 도 7a와 같이, 가변공진기는 기존의 공진기(603)의 개방된 끝부분과 전송선 조각(605)의 개방된 끝부분 사이에 연결된 가변 커패시터(606)로 구성된다. 그리고 입, 출력 급전선들(601, 602)은 도 7a와 같이 공진기(603)와 전기적으로 결합되어 있다.
도 7b 및 도 7c는 본 발명에 따른 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터를 도시한 도면이다. 도 7b와 같이, 본 발명에 의한 가변공진기는 공진기(603)의 개방된 두 끝부분들과 전송선 조각(605)의 개방된 두 끝부분들이 두 개의 가변 커패시터들(606, 606a)에 의해서 연결될 수 있다. 또한 도 7c의 가변공진기는 상기 도 5b 의 가변공진기와 같은 구조이다. 이때, 도 7b에서 보인 가변공진기는 미국특허 US 6,717,491B2에서 제시된 공진기와 완전히 전혀 다른 구조이다.
도 7d는 본 발명에 따른 4개의 가변공진기들이 결합되어 있는 가변 헤어핀 소자를 나타낸 것이고, 도 7e는 도 7d를 제작하여 측정한 삽입손실 그래프를 보여준다. 도 7e의 동그라미는 도 7d의 전송선 조각들과 가변 커패시터들이 제거된 종래기술의 공진기를 적용한 대역통과필터에서 측정한 삽입손실이며, 네모는 본 발명에 의한 도 7d에서 측정한 삽입손실이다. 그리고 세모는 도 7d와 같은 조건에서 도 7b의 가변공진기들을 적용한 가변 대역통과필터에서 측정한 삽입손실을 보여준다. 세모와 네모의 경우 공진기들(611~614)과 전송선 조각들의 폭과 길이는 각각 0.6x13 mm와 0.5x0.7 mm이고, 가변 커패시터들의 전기용량(C L )은 모두 0.5 pF이였다.
도 7e에서 보는 것과 같이, 도 7b의 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터가 도 7a에 보인 가변공진기를 적용한 가변 대역통과필터보다 공진주파수를 더 크게 가변할 수 있다.
도 7f에 보인 가변공진기는 그 구성요소들 중에서 공진기(631)와 전송선 조각(632)이 계단임피던스(stepped impedance) 형태인 경우를 예시한 것이다. 이때, 전송선의 폭이 좁으면 높은 임피던스를 가지지만 반대로 전송선의 폭이 넓어지면 낮은 임피던스를 갖는다.
그리고 도 7g는 본 발명에 따른 가변 대역통과필터를 나타낸 것으로 도 7g 에 나타낸 것과 같이, 이전에 보인 가변공진기들과 달리, 본 발명에 따른 가변공진기는 공진기(631)의 개방된 끝부분들이 4개이다. 이와 같이 본 발명에 의한 가변공진기의 개방된 끝부분들은 2개 이상일 수 있다.
(제4 실시예 )
도 8a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가변공진기가 적용된 가변 저지대역필터(tunable bandstop filter)를 예시한 도면이고, 도 8b는 시뮬레이션으로 구한 도 8a의 삽입손실 그래프이다. 도 8a의 가변 저지대역필터는 전송선(701)에 2개의 공진기들(702, 703)의 일부분이 전기적으로 결합되어 있으며, 공진기들(702, 703)의 개방된 한쪽 끝부분에 개방된 전송선 조각들(706, 707)과 가변 커패시터들(704, 705)이 연결되어 구성된다. 이때 공진기들(702, 703)과 전송선 조각들(706, 707)의 폭과 길이는 각각 0.6x12 mm와 0.6x4 mm이고, 공진기들(702, 703) 사이는 10 mm 떨어져 있다.
이때, 도 8b에 나타낸 실선은 전송선(701)과 공진기들(702, 703)만으로 구성된 종래기술에 의한 공진기를 적용한 기존 저지대역필터의 삽입손실을 보여주고, 파선과 점선은 본 발명에 의한 도 8a의 가변 저지대역필터에서 가변 커패시터들(704, 705)의 전기용량(C L )이 각각 0.2 pF과 0.4 pF일 때 시뮬레이션으로 구한 삽입손실 그래프를 보여준다. 한편, 도 8a에서 보인 가변 저지대역필터의 가변공진기들 대신에 도 7b 또는 도 7c에서 보인 가변공진기를 적용할 수 있다.
(제5 실시예 )
임피던스 정합회로는 공진을 이용하여 특정 주파수 대역에서 최대전력을 전송하기 위한 방법이다. 안테나, 저잡음 증폭기, 전압제어 발진기, 전력 증폭기 등과 같은 부하들의 경우 이 부하들과 급전선 사이에 임피던스 정합회로를 추가하여 최대전력을 전송해야 한다. 임피던스 정합회로는 기본적으로 공진회로이고 주로 저역필터의 특성을 지닌다. 아래는 임피던스 정합회로 또는 필터 등에 적용이 가능한 본 발명에 의한 가변소자를 보여준다.
도 9a는 임피던스 정합회로에 주로 사용되는 종래기술에 의한 개방스텁을 나타낸 도면이고, 도 9b는 본 발명에 따른 개방스텁에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자를 나타낸 도면이다. 도 9b에 나타낸
Figure 112007005328616-pat00062
는 개방스텁의 물리적인 길이를 나타내며, 첨자 s는 개방스텁을 표시한다. 도 9b의 본 발명에 의한 가변소자는 접지와 연결할 필요가 없고, 기존의 인용 문헌에서 제시된 바와 같이, 한쪽 끝부분이 단락된 공진기(short-circuited resonator)와는 전혀 다른 구조의 소자이다.
도 9a의 종래기술에 의한 개방스텁은 신호가 전달되는 전송선(801, 802)에 개방스텁(803)이 연결되어 있는 소자이며, 도 9b의 본 발명에 의한 상기 가변소자는 가변을 위하여 개방스텁(803)의 끝부분과 개방된 전송선 조각(805) 사이에 연결된 가변 커패시터(804)로 구성된다. 본 발명에 의한 상기 가변소자는 가변 커패시터(804)를 가변하여 임피던스 또는 차단주파수(cutoff frequency) 등을 바꿀 수 있 다.
도 9c는 시뮬레이션으로 구한 도 9a 및 도 9b의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면이다. 도 9c의 실선은 종래기술인 도 9a에서 구한 삽입손실을 보여주고, 파선과 점선은 도 9b에서 가변 커패시터(804)의 정전용량이 각각 0.2 pF과 0.4 pF일 때 구한 삽입손실을 보여준다. 이때 개방스텁(803)과 전송선 조각(805)의 물리적인 길이는 각각 6 mm와 4 mm이였다.
도 9a 및 도 9b에서의 개방스텁(803)의 개수는 한 개이지만, 더 넓은 주파수 대역에서 임피던스를 정합하거나 또는 저역통과 필터의 더 넓고 가파른 차단특성을 얻기 위해서 일정한 거리만큼 떨어진 복수개의 개방스텁들을 사용할 수 있다. 전송선 조각(805)의 전기적인 길이는 반파장(λg/2)보다 작거나 같을 수 있다.
도 9d는 저역통과필터 또는 임피던스 정합회로로 사용될 수 있는 본 발명에 의한 복수개의 개방스텁들을 사용한 가변소자를 나타낸 도면이다. 도 9b에서 개방스텁(803)의 개수는 한 개이지만, 도 9d의 개방스텁들(813~815)의 개수가 3개인 경우에 해당한다. 도 9e는 시뮬레이션으로 구한 도 9d의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면이다. 도 9e의 실선은 전송선 조각들(819~821)과 가변 커패시터들(816~818)이 없는 종래기술의 개방스텁에서 계산한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 그리고 도 9e의 파선과 점선은 도 9d의 가변 커패시터들(816~818)의 전기용량이 각각 0.2 pF와 0.4 pF일 때 구한 삽입손실을 보여준다. 이때 전송선 조각들(819~821)의 폭과 길이는 1x2 mm로 고정하였다. 도면에서 보는 것과 같이 본 발명에 의한 저역통과필터의 차단주파수는 전기용량이 증가함에 따라서 낮은 주파수로 이동한다.
도 9d에서 보인 개방스텁들에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자는 3개의 개방스텁들(813~815)의 모든 끝부분들에 개방된 전송선 조각들(819~821)과 가변 커패시터들(816~818)이 연결되어 있다. 하지만, 상기 3개의 개방스텁들(813~815)의 끝부분들 중에서 일부에만 전송선 조각들이 연결되어 있을 수도 있다.
도 9f는 본 발명에 의한 계단임피던스(stepped impedance)에 적용된 전송선 조각을 사용한 가변소자를 나타낸 도면이다. 도 9f에 보인 것과 같이, 상기 가변소자는 전송선을 낮은 임피던스 부분들(833~835)과 높은 임피던스 부분들(836, 837)로 구성된 종래기술에 의한 계단임피던스에 가변을 위해서 계단임피던스들(833~837) 중 낮은 임피던스 부분들(833~835)의 끝부분들과 개방된 전송선 조각들 사이에 가변 커패시터들이 연결되어 구성된다. 이때, 도 9f에 보인 종래기술에 의한 계단임피던스 소자는 전자기결정(electromagnetic crystal) 또는 PBG(photonic band gap)에 해당한다.
도 9g는 시뮬레이션으로 구한 도 9f의 삽입손실 그래프를 나타낸 도면으로, 도 9g의 실선은 도 9f에서 가변 커패시터들과 전송선 조각들이 제거된 종래기술에 의한 계단임피던스 소자의 삽입손실을 보여주고, 파선은 본 발명에 의한 도 9f에서 전기용량이 0.4 pF일 때의 삽입손실을 보여준다. 도 9g에서 보는 것과 같이, 가변 커패시터들의 전기용량을 가변하여 차단주파수 또는 임피던스를 가변할 수 있다.
(제6 실시예 )
이제, 임피던스 정합회로 또는 필터 등에 적용할 수 있는 전송선 조각을 사용한 다른 가변소자에 대해 알아보자. 도 10a는 신호를 전달하는 전송선과 접지 사이에 가변 커패시터가 연결되어 있는 기존의 가변소자를 도시한 도면이고, 도 10b는 본 발명에 따른 가변소자를 도시한 도면이다.
도 10a에 나타낸 기존의 가변소자는 접지가 반드시 필요하지만, 도 10b에 도시된 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 가변소자는 기판에 구멍을 뚫고 접지를 할 필요가 없다. 즉, 본 발명에 의한 상기 가변소자는 주파수를 가변하기 위해서 전송선(901)과 전송선 조각들(905, 906)사이에 가변 커패시터들(903, 904)이 연결되어 있기 때문에 접지할 필요가 없다. 또한, 본 발명에 따른 도 10b에 커패시터들과 인덕터들 또는 스텁들 등을 더 포함하여 임피던스 정합회로 등으로 사용할 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 기판에 구멍을 뚫어서 비아를 통해서 접지와 연결해야 하는 어려움을 없앨 수 있고, 이 때문에 이 소자들을 다층기판 등에 적용하면 제작공정이 쉬워지므로 좋은 신뢰성을 얻을 수 있고 또한 제작가격도 낮출 수 있다.
본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 마이크로스트립(microstrip), 스트립라인(stripline), 또는 CPW(coplanar waveguide) 등 평판형태의 기판에서 제작될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 고온 초전도체(high temperature superconductor) 기판에 제작될 수 있다.
본 발명에 의한 공진기 또는 개방스텁 또는 전송선 조각은 낮은 임피던스 부분과 높은 임피던스 부분으로 되어 있는 계단 임피던스(stepped impedance) 형태를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 가변공진기는 헤어핀(hairpin)이나 헤어핀-콤(hairpin-comb) 또는 콤라인(combline) 등의 형태를 가진 대역통과필터 또는 저지대역필터 등에 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 듀플렉서(duplexer), 또는 디플렉서(diplexer) 등에 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 소형화를 위해서 적층형의 LTCC(low temperature co-fired ceramic)에 내장될 수 있다. 상기 LTCC는 대역통과필터, 발룬(Balun), 증폭기 등을 더 포함한 송수신기 등을 위한 모듈형태일 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 반도체 기판위에 제작되는 MMIC(microwave monolithic integrated circuit) 또는 MIC(microwave integrated circuit) 등에 포함될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 복수의 층이 적층된 인쇄회로(PCB) 기판에 제작될 수도 있다. 상기 PCB 기판에는 능동소자들이 더 포함될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 실리콘(Si) 기판 위에 RF CMOS 공정으로 제작될 수 있다. 이 경우에는 부도 체(insulator)로서 산화물(oxide)이 사용될 수 있으며 기판 위에 다층으로 회로를 구성할 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 복수개로 구성된 경우 가변 커패시터들의 전기용량 또는 전송선 조각들의 전기적인 길이는 서로 다를 수 있다.
신호를 공급하는 급전선은 공진기들과 형행결합(parallel coupled)되어 있거나 또는 직접 공진기들에 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 모든 시뮬레이션들과 제작은 기판의 두께 h = 0.635 mm이고, 기판의 비유전상수가 ε r = 10.2를 가진 마이크로스트립(microstrip) 구조를 사용했으며, 시뮬레이션은 Ensemble 5.1 프로그램을 사용하였고, 측정은 HP8510C 망 분석기(network analyzer)를 사용하였다.
이상, 본 고안의 바람직한 실시예들을 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위들에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정들과 변형들이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
앞에서 언급한 것들과 같이, 본 발명에 의한 개방된 공진기에 적용되는 전송 선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자는 인용논문의 소자보다 소자의 크기를 더 작게 하지만 더 좋은 가변특성을 얻을 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 개방스텁 또는 계단임피던스 등에 적용되는 전송선 조각을 사용한 가변소자는 접지할 필요가 없다는 장점을 가진다.
마지막으로, 본 발명에 의한 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자들은 기판에 구멍을 뚫고 비아를 통해 접지해야 할 필요가 없기 때문에 제작공정이 쉬워서 좋은 신뢰성을 얻을 수 있으며 제작가격도 낮출 수 있고 다층기판으로 된 LTCC 등에서 쉽게 제작할 수 있다.

Claims (15)

  1. 기판에 형성되고 서로 결합되고 모든 끝부분이 개방된 하나 이상의 공진기들(open-circuited resonators)과;
    상기 개방된 공진기 각각에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과;
    상기 개방된 공진기의 개방된 끝 부분과 상기 전송선 조각의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들(tunable capacitors)을 포함하여 가변공진기(tunable resonator)를 이루되,
    상기 전송선 조각들의 전기적인 길이는 반파장(λg/2)보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공진기의 양쪽 끝부분은 각기 전송선 조각의 양쪽 끝부분에 마주하며, 상기 가변 커패시터는 각각의 마주하는 공진기의 개방된 끝부분과 전송선 조각의 개방된 끝부분 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  3. 기판에 형성되고 전송선에 직접 연결된 하나 이상의 개방스텁들과;
    상기 개방스텁 각각에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과;
    상기 개방스텁들의 끝부분과 상기 전송선 조각들의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  4. 기판에 형성되어 전송선의 일부를 이루는 하나 이상의 계단임피던스(stepped impedance)들과;
    상기 계단임피던스들에서 낮은 임피던스 부분에 각각 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과;
    상기 계단 임피던스의 낮은 임피던스부분과 상기 전송선 조각들의 개방된 끝부분 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  5. 기판에 형성되고 신호를 전달하는 전송선과;
    상기 전송선과 서로 결합되어 있는 하나 이상의 개방된 공진기들과;
    상기 개방된 공진기들에 구비되는 하나 이상의 개방된 전송선 조각들과;
    상기 개방된 공진기들과 상기 전송선 조각의 개방된 끝부분들 사이마다 연결되는 가변 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  6. 제 3항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송선 조각들의 전기적인 길이는 반파장(λg/2)보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  7. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는,
    반도체 버랙터, 가변 유전체 커패시터(또는 유전체 버랙터), 가변 자성체 커패시터, 가변 멤스(MEMS) 커패시터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  8. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은,
    다층기판인 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  9. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은,
    고온 초전도체 기판인 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가변 커패시터로 가변 유전체 커패시터(또는 유전체 버랙터)를 사용한 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  11. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 개방된 공진기들, 상기 전송선 조각들, 또는 상기 개방스텁들은 높은 임피던스 부분과 낮은 임피던스 부분으로 구성된 계단 임피던스로 이루어진 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  12. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    소형화를 위해서 MMIC, MIC, LTCC, 또는 적층된 인쇄회로기판 중 하나에 내장된 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    무선통신 모듈에 포함되는 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  14. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 평판(planar) 형태인 것을 특징으로 하는 전송선 조각을 사용한 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
  15. 제 1항, 제3항, 제4항, 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    가변 커패시터의 정전용량(capacitance)을 조정하여 공진주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 마이크로파/밀리미터파용 가변소자.
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