KR100893319B1 - 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터 - Google Patents

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KR100893319B1
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임호
이종혁
임상호
오영철
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 공진기를 이용한 필터에 관한 것으로서, 고주파 전송을 위한 마이크로스트립 전송선로 상에 나선형 패턴을 에칭액으로 식각 또는 기계로 음각 처리하여 공진 특성을 얻을 수 있고, 이를 이용하여 특정 주파수 대역을 저지(Stop)하는 필터를 구성요소의 부가없이 제작할 수 있어 집적화가 가능하며, 이를 내장한 무선 송, 수신기의 크기를 줄일 수 있는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터을 제공하기 위한 것이다.
그 기술적 구성은 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되되, 나선형으로 식각되어 공진을 이루는 나선형 패턴을 포함하는 제1 금속기판과, 상기 유전체 기판의 타면에 형성되어 접점을 제공하는 제2 금속기판을 포함하는 나선형 공진기; 상기 제1 금속기판과 평행한 면에 형성되되, 상기 제1 금속기판의 수직 방향으로 형성되고, 시간에 따라 변하는 전기장을 형성시키는 전원; 상기 나선형 공진기의 일측으로 주파수가 입력되도록 연결된 입력 전송선로; 상기 입력 전송선로에서 입력된 주파수가 상기 전기장으로 특정 주파수 대역이 필터링되는 나선형 공진기를 거쳐 출력되도록 상기 나선형 공진기의 타측에 연결된 출력 전송선로; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
나선형, 공진기, 대역저지필터, 마이크로스트립, 고주파, RF, BSF, Spiral

Description

나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터{Compact Band Stop Filter Using a Spiral Resonator}
본 발명은 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터에 관한 것으로, 마이크로스트립에 나선형 패턴 식각으로 형성된 나선형 공진기를 이용하여 필터 및 이를 구비한 송, 수신기의 크기를 감소시킬 수 있는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터에 관한 것이다.
일반적으로, 필터(Filter)는 어떤 범위의 주파수만을 통과시키거나 또는 차단하는 기능을 가지는 회로로서, 입력된 주파수 성분 중에서 원하는 주파수만을 통과시키고, 나머지는 감쇄시켜 주파수를 선택할 수 있도록 인덕턴스, 콘덴서, 저항의 조합으로 구성된다.
그리고, 고주파수 대역에서 필터는 수동회로 및 능동회로 시스템에 걸쳐 주파수를 선택, 저지, 통과시키거나 또는 송, 수신기의 고조파(Harmonic) 성분이나 기생 성분 등을 제거하고 원하는 신호만을 통과시키는 소자로 이용된다.
또한, 고주파수 대역에서의 필터는 주파수가 증가할수록 통과가 어려운 특성인 인덕턴스(Inductance)를 가지는 코일과, 주파수가 증가할수록 통과가 용이한 특성인 커페시턴스(Capacitance)를 가지는 콘덴서의 조합에 의한 공진으로 구동된다.
여기서, 공진(共振, Resonance)은 주파수와 회로의 고유 주파수가 동일할 때 회로에 진동 전류가 흐르는 현상을 일컫는데, 직렬회로에서 임피던스가 최소값을 갖거나, 병렬회로에서 임피던스가 최대값을 가질 때 주파수 공진이 발생한다.
즉, 코일과 콘덴서가 연결된 상태에서, 회로의 고유 주파수와 같은 진동수를 가진 에너지가 주어지면 공진이 발생하는데, 충전된 콘덴서와 저항만이 연결된 회로에서 스위치를 닫아 방전시키면 전류는 약해져서 0 에 근접하게 되지만, 코일이 추가될 경우 커페시턴스에 충전된 전하가 모두 방전되어도 코일의 자체유도에 의해 역으로 콘덴서로 충전이 되며, 이에 따라 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다.
만약, 전류가 흐르는 동안 외부로 에너지 손실이 없는 이상적인 환경을 가정한다면, 상기한 과정은 연속적으로 계속적으로 반복될 것이며, 전류의 진폭이 항상 일정한 진동 전류가 흐르게 되지만, 실제적인 환경에서는 열 등에 의해 진동 전류가 감소하게 되어 주기성을 가지며 변한다.
그리고, 코일과 콘덴서가 직렬연결된 경우에는 코일의 리액턴스와, 콘덴서의 리액턴스 값이 같아지는데, 즉 임피던스 Z = R' + j[ωL-(1/ωC)]의 허수 부분이 0 이 되어 임피던스의 크기가 극소값 R' 가 될 때, 최대의 전류가 흐르고, 이는 대역통과필터(BandPassFilter)로 이용되고, 코일과 콘덴서가 병렬연결된 경우에는 임피던스의 크기가 극대값이 될 때 전압이 상승하게 되는데, 즉 임피던스 Z = 1/[1/R+j{ωC-(1/ωC)}]가 극대값 R을 가지며 전압이 상승하게 되며, 이는 대역저지필터(BandStopFilter)로 이용된다.
따라서, 공진 주파수는 각주파수 ω=(1/LC)1/2 일 때 발생하는데, 공진 주파수에서는 임피던스가 낮아지기 때문에, 방해 성분이 감소되어 신호가 흐를 수 있고, 나머지 주파수에서는 허수 임피던스가 손실로 작용하여 신호의 통과가 어려워지기 때문에 선택된 주파수 이외의 주파수 신호는 코일 및 콘덴서에 의해 감쇄된다.
더불어, 송, 수신기의 전단(Front-End)을 집적시키기 위해서는 필터의 소형화가 요구되는데, 전자 밴드갭(EBG: Electronic Band Gap) 구조를 이용한 설계방법은 평면형 회로기술의 소형화를 가능케하지만, 이러한 전자 밴드갭 구조를 이용한 방법은 전송선로 상에 주기적인 구조를 첨가하여 특정한 주파수 구간에 대하여 통과하지 못한다.
따라서, 전자 밴드갭 구조보다 소형화할 수 있는 방법 중 하나는 나선형 공진기를 이용한 구조이며, 도 1은 일반적인 대역저지필터의 등가 회로와, 대역저지필터의 삽입손실 및 스커트 특성을 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 대역저지필터(BSF: Band Stop Filter)는 코일과 콘덴서를 병렬연결한 등가회로로 표시가능하다.
그리고, 필터의 성능을 구분할 수 있는 삽입손실(Insert Loss)은 주파수가 대역저지필터를 포함한 필터를 통과하면서 반사되거나, 또는 손실되는 등의 전력의 손실을 의미하며, 스커트(Skirt) 특성은 필터가 주파수를 통과시키거나 또는 저지시키는 대역의 구분이 얼마나 명확한지를 의미하는 것이다.
여기서, 삽입손실은 주파수가 입력되는 입력 포트(Input Port, Port 1)에서 출력 포트(Output Port, Port 2)로 출력되는 주파수를 의미하는 모드인 S21 모드가 0 dB와 어느 정도의 차이를 가지고 있는지에 따라 알 수 있는데, 주파수가 필터 또는 전송선로를 통과하면서 전력이 손실되는 정도를 나타내므로 적을수록 필터 또는 전송선로의 효율이 좋다고 판단할 수 있다.
또한, 스커트 특성은 주파수를 통과 또는 저지시키는 구분의 명확성을 나타고, 스커트 특성은 높을수록 필터 또는 전송선로의 효율이 좋다고 판단할 수 있는데, 이를 구분하기 위해서는 S21 모드의 기울기를 보고 판단한다.
최근, 마이크로웨이브 회로(Microwave IC)의 소형화, 경량화, 박형화가 요구되고, 이에 구비되는 필터에도 동일한 특성이 요구되는데, 이에 따라 나선형 공진기를 이용하여 대역저지필터를 제작하고, 나선형 공진기의 중심축에 평행하도록 시간에 따라 변하는 자기장을 가하여 필터링 특성을 얻도록 하는 방법을 이용한다.
그러나, 이러한 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터는 크기에 대한 문제점을 개선한 반면, 전송선로에 부가적으로 구비되기 때문에 집적화 및 소형화에 한계가 있으며, 이에 따라 필터를 소형화시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 마이크로스트립의 금속기판을 나선형 패턴으로 식각하여 나선형 공진기를 구현함으로써, 집적화에 용이하도록 마이크로스트립 상에 구현된 나선형 공진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로스트립 상에 구현된 나선형 공진기의 공진 특성을 이용하여 대역저지필터를 구현함으로써, 집적화 및 소형화가 가능한 대역저지필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로스트립에 부가되는 공진기 또는 대역저지필터를 제거시킴으로써, 무선 송, 수신기의 크기를 소형화시킬 수 있는 나선형 공진기 및 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 대역저지필터의 주파수 저지특성 및 통과특성을 높여 스커트 특성을 증가 또는 손실의 감소를 가져올 수 있으며, 대역저지필터의 주파수 저지대역폭을 증가시킬 수 있는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 나선형 패턴으로 금속기판을 에칭액으로 식각 또는 기계로 음각처 리함으로써, 마이크로스트립 전송선로 상에 나선형 공진기를 형성할 수 있으며, 나선형 공진기의 공진특성을 이용하여 특정 대역을 필터링할 수 있는 대역저지필터(Band Stop Filter)를 제작하되, 나선형 패턴의 크기를 변화시켜 공진주파수를 조절할 수 있고, 나선형 패턴의 개수를 조절함으로써 대역저지레벨을 증가시킬 수 있고, 각각의 나선형 패턴의 크기의 차를 증가시켜 저지대역폭을 증가시킬 수 있으며, 각각의 나선형 패턴 중심 간 거리를 조절하여 산란계수를 조절한다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 마이크로스트립 상에 나선형 패턴으로 식각한 나선형 공진기를 이용함으로써, 대역저지필터를 소형화시킬 수 있으며, 주파수 저지대역구간에서 주파수 저지특성을 높이고, 주파수 통과대역구간에서는 손실이 최소화되는 필터를 구현할 수 있으며, 소형화 및 집적화가 가능한 나선형 공진기 및 이를 이용한 대역저지필터는 초고주파 단일 집적회로(Monolithic Microwave IC) 또는 평면형 공정이 요구되는 회로에 유연하게 적용되는 등의 효과를 거둘 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되되, 나선형으로 식각되어 공진을 이루는 나선형 패턴을 포함하는 제1 금속기판과, 상기 유전체 기판의 타면에 형성되어 접점을 제공하 는 제2 금속기판을 포함하는 나선형 공진기; 상기 제1 금속기판과 평행한 면에 형성되되, 상기 제1 금속기판의 수직 방향으로 형성되고, 시간에 따라 변하는 전기장을 형성시키는 전원; 상기 나선형 공진기의 일측으로 주파수가 입력되도록 연결된 입력 전송선로; 상기 입력 전송선로에서 입력된 주파수가 상기 전기장으로 특정 주파수 대역이 필터링되는 나선형 공진기를 거쳐 출력되도록 상기 나선형 공진기의 타측에 연결된 출력 전송선로; 를 포함한다.
여기서, 상기 나선형 패턴은 주파수 저지대역폭을 증가시키기 위하여, 길이 방향으로 다수개 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭은 상기 다수개의 나선형 패턴 길이를 조절하여 증감되는 것을 특징으로 한다.
또한, 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭은 상기 각 나선형 패턴 길이의 차에 비례하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 나선형 공진기와, 상기 입, 출력 전송선로는 임피던스를 매칭시켜 입력된 주파수의 반사를 최소화시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 나선형 패턴의 폭(W)을 조절하여 상기 나선형 공진기의 공진 주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대역저지필터의 주파수 저지대역 및 주파수 통과대역이 구분되는 스커트 특성은 상기 각 나선형 패턴의 중심 간 거리로 조절되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각 나선형 패턴의 중심 간 거리는 λg/4인 것을 특징으로 한 다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명과 상보적인 나선형 공진기의 평면도 및 단면도와, 자기장에 따른 전류를 개략적으로 도시한 도이고, 도 3은 도 2의 나선형 공진기의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(10a)는 제2 금속기판(15a)과, 그 상부면에 적층되는 유전체 기판(13a)과, 그 상부에 나선형 패턴을 이루며 적층되는 제1 금속기판(11a)를 포함한다.
그리고, 마이크로스트립(Microstrip)과 같은 전송선로를 이용하는데, 제1 금속기판(11a)과 제2 금속기판(15a) 간에 일정 유전율(誘電率, Dielectric Constant, Eermittivity)을 가지는 유전체 기판(13a)이 삽입된 마이크로스트립을 기준전위를 형성하는 제2 금속기판(15a)에는 에칭을 하지 않고, 제1 금속기판(11a)에 나선형 패턴을 철(凸) 형상으로 형성시킨다.
즉, 제1 금속기판(11a)에 형성되는 나선형 패턴을 제외한 나머지 제1 금속기판(11a)을 에칭액으로 식각하거나 또는 기계를 이용하여 깎아내어 나선형 형상만이 제1 금속기판(11a)으로 남도록 양각(陽刻)하는 것이다.
이렇게 되면, 고주파회로에서는 전송선로인 마이크로스트립 내부가 아닌 외 부 표면으로 전류가 흐르려는 특성이 나타나고(Skin Effect), 접지판인 제2 금속기판(15a)과 신호선인 제1 금속기판(11a) 사이에 전계(Electric Field) 에너지 신호를 보존하며 전송하게 된다.
그리고, 마이크로스트립에서 신호가 제1 금속기판(11a)과 제2 금속기판(15a) 사이에 필드(Field) 형태로 유기되어 전달되는데, 여기서 사용되는 모드는 전계(E-Field)와 자계(H-Field)가 도파 방향에 모두 반대인 TEM 모드를 사용한다.
더불어, 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(10a)는 외부에서 시간에 따라 변하는 자계(Time Varing Magnetic Field)가 가해지고, 이에 따라 신호선인 제1 금속기판(11a)에 전류가 유기된다.
또한, 유기된 전류가 흐르는 전송선로의 길이만큼 분산 인덕턴스(Distributed Inductance)가 발생하며, 전송선로 사이의 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)가 발생한다.
그래서, 전송선로에 유기된 전류에 의한 전압 분포는 (b)에 도시되어 있으며, 나선형 패턴이 형성하는 나선형 전송선로인 제1 금속기판(11a)의 내측 및 외측 간에 분산 커페시턴스가 발생하고, 제1 금속기판(11a)의 양 단부에서 가장자리 커페시턴스(Fringing Capacitance)가 발생한다.
따라서, 분산 커페시턴스와 가장자리 커페시턴스는 직렬로 연결되어 있다고 할 수 있으며, 결과적으로 도 3의 나선형 공진기의 등가회로로 도시될 수 있는데, Cd는 분산 커페시턴스를 나타내고, R은 나선형 공진기(10a) 전송선로의 저항을 나타 내며, Cf는 가장자리 커페시턴스를 나타낸다.
여기서, 나선형 공진기(10a)의 등가회로는 고주파 대역이 아닌, 일반적인 저주파 대역에서 사용되는 대역저지필터의 LC 공진회로와 동일하며, 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(10a)도 이에 따라 계산이 가능한데, 이는 하기 수학식 1 에 기재한다.
Figure 112007075338175-pat00001
Figure 112007075338175-pat00002
여기서, CT는 분산 커페시턴스(Cf)와 가장자리 커페시턴스(Cd)의 합이며, LT는 상호 인덕턴스(Lm)와 분산 인덕턴스(Ld)의 합을 나타내며, 공진 주파수를 산출하는 공식에 대입하면 공진 주파수를 상기 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
그리고, 마이크로스트립을 구현하는데 필요한 파라미터는 유전체 기판(13a)의 높이(h: Height)와, 비유전율(εr)인데, 나머지 파라미터의 간섭이 완전하게 배제되는 것은 아니지만 중요도는 상기 높이와 비유전율에 비하여 낮다.
더불어, 마이크로스트립을 설계하는 데 있어서, 고려해야할 점은 TEM 모드가 아니라 Quasi-TEM 모드를 사용하기 때문에 상기 유전체 기판(13a)의 유전율이 그대로 수식에 적용되지 않기 때문에, 유효 유전율(Effecctiv Dielectirc Constant, εe)이 요구되며, 이는 하기 수학식 2에 따라 산출가능하다.
Figure 112007075338175-pat00003
그리고, 마이크로스트립에서 선로의 폭(w: Width)는 임피던스를 의미하기 때문에, 폭이 넓을수록 임피던스는 작고 좁을수록 임피던스는 높으며, 파장에 비례하도록 설계하는 것이 바람직하며, 마이크로스트립 전송선로의 폭(w), 높이(h)와 임피던스(Z)와의 관계식은 하기 수학식 3과 같다.
Figure 112007075338175-pat00004
Figure 112007075338175-pat00005
Figure 112007075338175-pat00006
Figure 112007075338175-pat00007
그리고, 주파수는 마이크로스트립 전송선로의 일측으로 입력되어 타측으로 출력되는데, 상기 나선형 공진기(10a)를 통과하게 되면 상기 수학식 1에서 산출된 공진주파수가 출력된다.
도 4는 도 2의 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터의 시뮬레이션 결과와, 측정 결과를 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 도 2에 따른 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(10a)를 이용하여 대역저지필터를 제작하고, 성능을 측정하기 위하여 HFSS로 S11 모드와 S21 모드에 대한 그래프를 출력한다.
여기서, 7.2 Ghz 에서 공진하도록 상기 수학식 및 변수들을 이용하여 필터를 설계하였고, 이에 따라 S21 모드에 따른 그래프를 보면, 7.2 Ghz 대역의 주파수는 출력되지 않는 것을 알 수 있다.
더불어서, 나선형 공진기(10a)를 이용한 대역저지필터는 본 발명과 상보적인 대역저지필터이므로 본 도면 설명에서는 제외하기로 하고, 이는 하기 본 발명에 따른 나선형 공진기 및 이를 이용한 대역저지필터에서 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 나선형 공진기의 평면도 및 단면도와, 전기장에 따른 전류를 개략적으로 도시한 도이고이다. 도면에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 나선형 공진기(10b)는 기준전위를 제공하기 위한 접지판인 제2 금속기판(15b)과, 상기 제2 금속기판 상에 일정 유전율을 가진 유전체 기판(13b)과, 상기 유전체 기판(13b) 상에 신호가 도파되는 제1 금속기판(11b)을 포함하여 이루인다.
여기서, 본 발명에 따른 나선형 공진기(10b)는 도 2의 나선형 공진기(10a)와는 상보적인 구조로 이루어지는데, 제1 금속기판(11b)의 나선형 패턴이 요(凹) 형상으로 음각처리되어, 도 2의 나선형 공진기(10a)와 금속부분과 유전체 부분이 상보적(Complementary)이다.
즉, 제1 금속기판(11a)에서는 나선형 패턴 부분을 제외한 나머지를 모두 깎아내거나 에칭 처리하지만, 제1 금속기판(11b)에서는 나선형 패턴 부분만을 에칭액으로 식각하거나 또는 기계로 깎아내는 것이다.
따라서, 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(11a)는 대역저지필터로 이용될 때 전송선로에 포함될 수 없고, 부가적으로 구비되어야 하지만, 본 발명에 따른 나선형 공진기(11b)는 대역저지필터로 이용될 때 전송선로에서 나선형 패턴 부분만을 깎아주거나 또는 식각하면 되기 때문에 부가적으로 제작될 필요가 없다.
그리고, 마이크로스트립 전송선로 상에, 즉 제1 금속기판(11b)에 나선형으로 음각처리함으로써, 공진 특성을 얻을 수 있는데, 이러한 나선형 패턴은 금속으로 형성된 나선형 패턴의 대응물이며, 금속인 부분과 금속이 아니었던 부분이 서로 대체되면서 쌍대성 원리(Duality Theorem)가 적용될 수 있다.
즉, 본 발명과 상보적인 나선형 공진기(11a)에 자계를 형성시켰다면, 본 발명에 따른 나선형 공진기(11b)에는 전계를 형성시키는 것과 같이 자기장과 전기장의 역할이 서로 바뀌게 된다.
이는, 금속으로 이루어진 나선형 패턴을 가지는 나선형 공진기(11a)를 동작시키기 위해서 나선형 공진기(11a)의 축에 평행하도록 시간에 따라 변하는 자기장을 가했다면, 금속이 아닌 나선형 패턴을 가지는 나선형 공진기(11b)를 동작시키기 위해서는 나선형 공진기(11b)의 축에 평행하도록 시간에 따라 변하는 전기장을 가해야 한다는 의미이다.
덧붙이면, 바비네의 원리(Babinet's principle)에 의해 금속의 평면형 구조의 상보적인(Complementary) 구조는 금속과 금속이 아닌 부분을 서로 바꾸어 구현할 수 있다는 것을 뒷받침한다.
따라서, 본 발명에 따른 나선형 공진기(11b)는 나선형 패턴으로 에칭 또는 음각 처리하여 도 2에서 금속이었던 나선형 패턴을 본 발명에서는 금속이 아닌 부분으로 제작하고, 이를 위하여 시간에 따라 변하는 전기장을 가하여 공진 특성을 얻는다.
도 6은 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터를 개략적으로 도시한 평면도 및 측면도이다. 도면에서 도시한 바와 같이, 도 5의 나선형 공진기(10b)를 이용하여 공진 특성을 얻을 수 있고, 이를 이용하여 일정 대역을 차단하는 대역저지필터(Band Stop Filter)를 제작할 수 있다.
이에 따라, 마이크로스트립 전송선로에 에칭액으로 식각되거나 또는 기계로 깎은 나선형 패턴을 다수개 형성시키고, 주파수가 입력되는 커넥터(31, 33)를 연결시키기 위하여 상기 나선형 공진기(10b)의 일측에 입력 전송선로(21)를 연결하며, 상기 나선형 공진기(10b)의 타측에 출력 전송선로(23)를 연결한다.
그리고, 상기 나선형 공진기(10b)와 상기 입력 전송선로(21) 및 출력 전송선로(23)의 임피던스를 매칭시켜 입력된 주파수의 반사를 최소화시킨다.
이하, 본 발명의 특성을 확인하기 위한 실시예를 기재한다.
<실시예 1>
우선, 마이크로스트립 전송선로는 타코닉(taconic)사의 RF-35를 이용하는데, 유전체 기판(13b)의 유효 유전율은 3.5 이며, 두께는 0.76 mm 이며, 나선형 공진기(10b)가 7.2 GHz 에서 공진 주파수를 형성하도록 나선형 패턴의 파라미터는 하기 표 1 과 같은 수치로 제작하며, 도 5에 표기된 파라미터에 근거한다.
파라미터 수치 단위(mm)
W 1.4
W1 0.2
W2 0.2
L 3.0
L1 1.6
그리고, 각각의 나선형 공진기(10b)를 이루는 패턴이 상기 표 1 과 같이 제작되고, 상기 나선형 패턴이 다수개로 구비되어 대역저지필터의 특성을 얻기 위해서는 하기 표 2 와 같은 수치로 제작하며, 도 6에 표기된 파라미터에 근거하며, 이는 도 6과 동일한 기호로 사용되었더라도 동일한 파라미터를 나타내는 것은 아니다.
파라미터 수치 단위(mm)
W' 25
W2 1.67
W3 2
L1 30
L2 0.8
L3 17
d 5-6.2
본 발명의 나선형 공진기(10b)는 목표 주파수인 7.2GHz 에서 공진을 하기 위하여, 나선형 패턴의 가로 및 세로(L, W)는 각각 3.0[mm], 1.4[mm]이고, 나선형 패턴의 폭(W1)과, 나선형 패턴의 폭(W1) 간 거리도 모두 0.2[mm] 이다.
그리고, 가장 내측의 나선형 패턴의 길이(L1)는 1.6[mm]이고, 입력 전송선로(21)의 폭(W4)은 목표주파수 7.2 GHz 에서 임피던스를 매칭시키기 위하여, 즉 50 옴[Ω]을 맞추기 위한 치수인 1.67[mm] 이고, 나선형 패턴이 음각처리된 마이크로스트립 전송선로의 폭(W3)은 상기 나선형 패턴을 형성시켜 나선형 공진기(10b)를 형성시키도록 50 옴[Ω]보다 낮은 임피던스를 가지는 치수인 2.4 [mm]로 제작한다.
여기서, 입, 출력 전송선로(21, 23)와, 상기 나선형 패턴이 형성된 전송선로는 테이퍼 라인(Tapered Line)을 이용하여 임피던스를 매칭시키며, 대역저지필터의 성능을 개선하기 위하여 3 개의 나선형 패턴을 이용하여 충분한 대역저지레벨을 가지도록 한다.
그리고, 인접한 각 나선형 패턴의 중심 간의 길이(d)는 관내파장(Guided Wavelength)의 약 1/4 인 6.2[mm] 이며, 이때 가장 날카로운 스커트 특성을 보이며 S21 모드의 그래프가 좌우 대칭이 된다.
더불어, 제2 금속기판(15b)는 접지(GND)를 제공하기 위한 마이크로스트립 전송선로로서, 어떠한 공정이 가해지지 않은 부분이며, 마이크로스트립 전송선로 기판의 전체 크기는 폭(W') 25[mm], 길이(L2) 30[mm]로 이루어지며, 임피던스 매칭을 위한 테이퍼 라인을 제외한 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)의 총 길이는 15.4[mm]이다.
본 실시예에서 중요한 점은 나선형 공진기(10b)를 포함한 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)의 총 길이가 15.4[mm]로 초소형이라는 데 있으며, 이는 마이크로스트립 전송선로를 통과하는 한 파장의 길이가 24.8[mm]인 것에 비교하면 전기적으로 소형임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예서 나타난 바와 같이, 나선형 패턴이 다수개 형성되어 다수개의 나선형 공진기(10b)를 채용할 시, 각 나선형 패턴의 중심 간 거리는 λg/4 로 적용한다.
도 7은 도 6의 대역저지필터의 측정 결과를 도시한 그래프이다. 도면에서 도시한 바와 같이, Ansoft사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션한 결과는 (a)에 도시되며, HP 8722ES 벡터 네트워크 아날라이저를 이용한 결과는 (B)에 도시된다.
여기서, 목표주파수가 7.2GHz 이고, 측정결과에서 나타난 저지대역주파수는 7.3GHz 로 나타나 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 거의 일치함을 볼 수 있고, 대역폭은 S21 모드에서 -10dB를 기준으로 약 0.5GHz(약 7.1Ghz-7.6Ghz)이다.
그리고, 공진주파수이며 저지대역인 7.2GHz 근처에서 날카롭게 떨어지는 Cutoff 특성 및 스커트 특성을 관찰할 수 있으며, 통과대역에서는 1.2dB 미만으로 삽입손실이 충분히 적은 것을 알 수 있다.
다시 말하면, 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)는 통과대역에서 리플(Ripple)이 거의 없고, 삽입손실도 낮으며, 날카로운 스커트 특성을 가질 수 있다.
도 8은 도 6의 나선형 공진기의 나선형 패턴의 크기를 변경시킨 실시예를 도시한 도이고, 도 9는 도 8의 실시예에 따른 대역저지필터의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도면에서 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)의 저지대역(Stop Band)의 대역폭을 조절할 수 있는 변수를 알아본다.
우선, 도 6의 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)를 이용하되, 상기 나선형 공진기(10b)를 이루는 나선형 패턴의 크기를 변수로 두고, 나선형 패턴 중심 간의 거리는 동일하게 설정한다.
그리고, 3 가지의 경우로 나누는데, Case 1 은 비교를 위하여 나선형 공진기(10b)의 나선형 패턴 크기를 모두 동일하게 제작하였고, Case 2는 나선형 공진기(10b)의 나선형 패턴 크기를 1[mm] 증감시켰으며, Case 3은 나선형 공진기(10b)의 나선형 패턴 크기를 Case 1 보다 1.5[mm] 증감시켰고, 이는 하기 표 3에 도시된다.
a1(mm) a2(mm) a3(mm)
Case1 1.6 1.6 1.6
Case2 1.5 1.6 1.7
Case3 1.45 1.6 1.75
Case 1은 나선형 공진기(10b)가 모두 같은 크기를 가지도록 제작하여 공진점을 7.2GHz 로 집중되도록 설계하고, Case 2에서는 약 1[mm] 씩 증감시켜 공진점을 분산시켰으며, Case 3에서는 약 1.5 [mm] 씩 증감시켜 공진점을 더 분산시켰다.
이렇게 공진점을 7.2 GHz 를 중심으로 좌우로 넓힘으로써, 대역저지폭이 넓어지는 것을 도 9를 통해 알 수 있는데, 도 9의 HFSS 결과를 살펴보면 S21 모드가 Case 1은 한 곳으로 집중된 데 반해, Case 2는 Case 1 보다 더 좌우로 넓어지고, Case 3 는 Case 2 보다 더 좌우로 넓어진 것을 알 수 있다.
각각의 경우에 대한 대역폭을 하기 표 4에 정리한다.
공진주파수(GHz) 10dB 대역폭(GHz) 대역저지수준(dB)
f1 f2 f3
Case1 7.2 7.2 7.2 0.45(6.93-7.38) -55
Case2 7.0 7.2 7.4 0.61(6.87-7.48) -35
Case3 6.9 7.2 7.5 0.9(6.72-7.62) -30
상기 표 4 를 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)는 저지대역폭(Stop Band Width)를 증감시킬 수 있다.
도 10은 도 6의 대역저지필터가 제작된 사진을 도시한 도이고, 도 11은 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터의 시뮬레이션 결과와, 측정 결과를 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)를 제작한 도면 및 이를 이용한 측정결과를 도시한다.
여기서, 도 11의 (a) 및 (b)를 보면 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 거의 일치함을 알 수 있으며, 이를 비교한 결과는 하기 표 5에 도시한다.
시뮬레이션결과(HFSS) 측정결과
중심주파수(GHz) 7.2 7.3
3dB 대역폭(GHz) 0.58(6.86-7.44) 0.7(6.95-7.65)
10dB 대역폭(GHz) 0.45(6.93-7.38) 0.5(7.1-7.6)
대역저지수준(dB) -55 -53
여기서, 시뮬레이션 결과보다 측정 결과가 삽입손실이 약 1 dB 정도 낮게 도시되었는데, 이는 시뮬레이션에서는 중앙 선로 및 접지면의 금속을 PEC(Perfect Electric Conductor)를 사용하였으나, 실제 제작에서는 구리를 이용하였기 때문에 손실이 발생한 것을 제외하면 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 거의 일치함으로써,본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터(1)의 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
도 1은 일반적인 대역저지필터의 등가 회로와, 대역저지필터의 삽입손실 및 스커트 특성을 도시한 도.
도 2는 본 발명과 상보적인 나선형 공진기의 평면도 및 단면도와, 자기장에 따른 전류를 개략적으로 도시한 도.
도 3은 도 2의 나선형 공진기의 등가회로를 도시한 회로도.
도 4는 도 2의 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터의 시뮬레이션 결과와, 측정 결과를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 나선형 공진기의 평면도 및 단면도와, 전기장에 따른 전류를 개략적으로 도시한 도.
도 6은 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터를 개략적으로 도시한 평면도 및 측면도.
도 7은 도 6의 대역저지필터의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 8은 도 6의 나선형 공진기의 나선형 패턴의 크기를 변경시킨 실시예를 도시한 도.
도 9는 도 8의 실시예에 따른 대역저지필터의 측정 결과를 도시한 그래프.
도 10은 도 6의 대역저지필터가 제작된 사진을 도시한 도.
도 11은 본 발명에 따른 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터의 시뮬레이션 결과와, 측정 결과를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
1: 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터
10a, 10b: 나선형 공진기 11a, 11b: 제1 금속기판
13a, 13b: 유전체 기판 15a, 15b: 제2 금속기판

Claims (19)

  1. 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되되, 마이크로스트립(Microstrip) 전송선로를 나선형 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하여 나선형 형상만이 철(凸) 형상으로 양각되어 나선형 형태를 갖는 1금속기판과, 상기 유전체 기판의 타면에 형성되어 접점을 제공하는 제2 금속기판을 포함하는 나선형 공진기;
    상기 제1 금속기판과 평행한 면에 형성되되, 상기 제1 금속기판의 수직 방향으로 형성되고, 시간에 따라 변하는 전기장을 형성시키는 전원;
    상기 나선형 공진기의 일측으로 주파수가 입력되도록 연결된 입력 전송선로;
    상기 입력 전송선로에서 입력된 주파수가 상기 전기장으로 특정 주파수 대역이 필터링되는 나선형 공진기를 거쳐 출력되도록 상기 나선형 공진기의 타측에 연결된 출력 전송선로;
    를 포함하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나선형 패턴은 주파수 저지대역폭을 증가시키기 위하여, 길이 방향으로 다수개 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭은 상기 다수개의 나선형 패턴 길이를 조절하여 증감되는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭은 상기 각 나선형 패턴 길이의 차에 비례하는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 다수개의 나선형 패턴은 상기 나선형 공진기의 길이 방향으로 동일한 폭(W)으로 3 개 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 3 개의 나선형 패턴 중에서, 상기 입력 전송선로 측에 위치한 나선형 패턴의 길이를 감소시키고, 상기 출력 전송선로 측에 위치한 나선형 패턴의 길이를 증가시키면, 상기 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭이 증가되는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 3 개의 나선형 패턴 중에서, 상기 입력 전송선로 측에 위치한 나선형 패턴의 길이를 감소시키고, 상기 출력 전송선로 측에 위치한 나선형 패턴의 길이를증가시키면 상기 나선형 공진기의 주파수 저지대역폭이 증가되는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 전송선로와, 상기 출력 전송선로는 마이크로스트립을 이용하는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 나선형 공진기와, 상기 입, 출력 전송선로는 임피던스를 매칭시켜 입력된 주파수의 반사를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 나선형 패턴의 폭(W)을 조절하여 상기 나선형 공진기의 공진 주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 대역저지필터의 주파수 저지대역 및 주파수 통과대역이 구분되는 스커트 특성은 상기 각 나선형 패턴의 중심 간 거리로 조절되는 것을 특징으로 하는 나 선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 각 나선형 패턴의 중심 간 거리는 λg/4인 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  15. 삭제
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 전송선로 및 출력 전송선로의 단부에는 각각 상기 주파수가 입, 출력되는 커넥터;
    가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나선형 공진기를 이용한 초소형 대역저지필터.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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