KR100895617B1 - 초소형 메타재질구조와 스터브를 이용한 통과특성과 차단특성이 향상된 초광대역 대역통과 여파기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 새로운 개념인 메타재질(Metamaterial) 구조를 이용하는 초광대역(Ultrawide-Band, 혹은 UWB) 대역통과 여파기(Bandpass filter 혹은 BPF)에 대한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 자연계에 존재하지 않는(Meta~) 왼손전파(Left-handed propagation) 현상의 선로를 만들고, 오른손 전파(Right-handed propagation) 법칙이 통하는 기존의 전송선로와 결합함으로써, 초광대역에 걸친 대역통과 특성을 가지는 초소형 대역통과 여파기에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 원하는 대역 이외의 불요공진 모드를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 스터브(Stub)를 부착함으로써 부품 전체의 크기에는 변함없이 저지대역(Stop-band)을 더욱 확장할 수 있는 초소형 대역통과 여파기에 관한 것이다.

초광대역 밴드패스 필터(UWB Bandpass filter), 메타재질 전송선 구조, 왼손전파(Left-handed propagation) 현상, 불요공진 모드, 임피던스 정합기

Description

초소형 메타재질구조와 스터브를 이용한 통과특성과 차단특성이 향상된 초광대역 대역통과 여파기 {COMPACT ULTRA-WIDE-BAND BAND-PASS FILTERS WITH ENHANCED PASSBAND AND STOPBAND PERFORMANCES USING THE MATERIAL AND STUBS}

본 발명은 새로운 개념의 메타재질(Metamaterial) 구조인 오른손 전파 및 왼손전파 현상을 결합한 전송선로(Composite Right- and Left-handed Line, 혹은 CRLH)를 이용하는 초소형(≤λ_g/4)의 초광대역(Ultrawide-Band, 혹은 UWB) 대역통과 여파기(Bandpass filter 혹은 BPF)에 대한 것으로서, 부품 전체의 크기를 변화시키지 않고 차단 대역을 더욱 확장하도록 불요공진 모드를 제거할 수 있는 스터브(Stub)를 장착한 대역통과 여파기에 관한 것이다.

무선통신 및 이동통신에 대한 관심과 수요는 UWB(초광대역) 통신용 장비의 개발을 유도하고 있다. 3GHz~10GHz 대역과 같은 넓은 대역에서 동작하는 부품들을 만드는 것은 고도의 RF 기술을 요구하고 있으며, 종래의 기술들을 이용함으로써 장비의 소형화와 우수한 통신품질을 얻는 데는 한계가 있었다.

초광대역(UWB) 통신용 장비에서는 안테나와 더불어 RF 수동부품들의 역할이 매우 중요하며, 특히 주파수 선택도를 결정하는 대역통과 여파기의 개발에 이목이 집중되고 있다.

또한, 휴대용 초광대역 통신장비의 개발과 더불어 고주파 부품의 소형화, 고성능화, 저가격화에 대한 개발이 논의되고 있다. 집적화가 가능한 능동 부품류와는 달리, 수동부품으로 구성된 여파기의 경우 낮은 삽입/반사 손실과 높은 주파수 선택성을 가지면서 동시에 소형으로 구현 및 제작해야 하는 것이 어려우며, 이에 따라 새로운 방식의 부품 제작 방법이 요구되어 왔다.

즉, 3GHz~10GHz 대역과 같은 7GHz 영역의 넓은 대역에서 통과 특성을 보이면서 초소형의 크기를 갖도록 하는 대역통과 여파기에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다.

종래의 광대역이나 초광대역 대역통과 여파기가 도1 및 도2에 도시되어 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 고리형 전송선을 가지는 대역통과 여파기(4GHz~8GHz) 및 그 주파수 특성을 도시한다.

도 1은 고리형 마이크로스트립 대역통과 여파기의 일 실시예이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 것처럼, 종래의 대역통과 여파기(4GHz~8GHz, 즉 대역폭이 4GHz에 불과)는 전송선(10)을 고리형태로 만들고 두 가지의 스터브(21, 22)를 이용하여 좁은 차단 대역이 대역의 가장자리인 4GHz와 8GHz에 일치되도록 구성된다.

이와 같은 종래의 대역통과 여파기는 Lung-Hwa Hsieh와 Kai Chang에 의한 "Compact, Low Insertion-Loss, Sharp-Rejection, and Wide-Band Microstrip Bandpass Filters(IEEE Transactions on Microwave Theories and Techniques, Vol. 51 No 4, April 2003, pp. 1241-1246)"에서 제안한 구조이다.

이를 구체적으로 살펴보면, 도 1a에 따른 종래의 대역통과 여파기는, 접지면을 최하단에 부착한 유전체 기판(미도시함)의 상면에 입력 포트(input)와 출력 포트(output)를 가지고, 입력 포트와 출력 포트 사이에 공진기에 해당되는 고리 모양의 금속 전송선(10) 및 고리 모양의 금속 전송선(10)에 두 개의 개방형 직선선로들(21, 22)이 부착한 형태로 구성되어 있다.

입력 포트(input)로 유입된 신호는 고리 모양의 금속 전송선(10)을 통해 출력 포트(output)를 향해 두 개의 경로로 나눠지고, 스터브에 해당하는 두 개의 개방형 직선선로들(21, 22)을 거쳐 두 개의 경로들의 신호들이 출력 포트(output)에서 만나게 된다. 이때 4GHz와 8GHz에서 각각 180도의 위상차를 가지고 되고 서로 상쇄되어 신호의 흐름이 차단되게 된다.

도 1b에는 도 1a에 따른 대역통과 여파기의 주파수 특성이 도시되어 있다. S₂₁에서 보이는 통과 대역이 4GHz 내지 8GHz로 설계 목표와 같이 대역 가장자리(4GHz와 8GHz)에 저지영역이 형성된다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 구성된 종래의 대역통과 여파기의 경우, 고리형 공진기를 사용하기 때문에 결합도가 낮아 초광대역폭을 가질 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 위상차만을 이용하고 있기 때문에 통과대역은 만족할 수는 있을지라도 아주 좁은 대역외 차단영역을 가지므로 주파수 선택성이 낮게 되는 문제점이 있었다.

아울러, 종래의 대역통과 필터는 구조적으로 그 크기가 λ_g이거나 이보다 큰 크기이기 때문에 초소형 구조로 제작할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 도 2a 및 도2b는 종래 기술에 따른 스터브 없는 연속 고리형 전송선을 가지는 대역통과 여파기(4GHz~6GHz) 및 그 주파수 특성을 도시한다. 도 2a는 스터브 없는 고리형 마이크로스트립 광대역 통과 여파기 일 실시예이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 것처럼, 종래의 대역통과 여파기(4GHz~6GHz, 즉 대역폭이 2GHz에 불과)에서는 스터브를 사용하지 않고 두 개의 공진기들(A와 B)이 전송선(C)과 연결된다.

이때, 두 개의 공진기들(A와 B)은 각각 고리형 전송선(네 가지 구간으로 구성)의 형태로 구성되고, 상하 구간의 전기적 길이(θ₁과 θ₂)와 특성임피던스(Z₁과 Z₂)를 다르게 함으로써, 결합시 위상차 180도가 대역의 가장자리에서 발생할 수 있도록 구성되어 있다. 이는 Roberto Gomez-Garcia와 Jose I. Alonso에 의한 "Design of Sharp-Rejection and Low-Loss Wide-band Planar Filters Using Signal-Interference Techniques(IEEE Microwave & Wireless Components Letters, Vol. 15 No 8, August 2005, pp. 530-532)"에서 제안한 구조이다.

이를 구체적으로 살펴보면, 도 2a와 같은 종래의 대역통과 여파기는, 접지면을 최하단에 부착한 유전체 기판 상면에 입력 포트(IN)와 출력 포트(OUT)를 가지고, 이들 사이에 공진기에 해당되는 고리 모양의 제 1 전송선(A), 고리 모양의 제 2 전송선(B), 직선형 전송선(C)이 배치되어 있다. 입력 포트(IN)로 유입된 신호는 고리 모양의 제 1 전송선(A)과 제 2 전송선(B)에 의해 각각 4GHz와 6GHz에서 차단된다.

도2b에 도시된 바와 같이, 제 1 전송선(A), 제 2 전송선(B), 직선형 전송선(C)의 임피던스 차이 때문에, 도 1a의 여파기의 경우와 달리, 좀 더 넓은 영역의 대역외 차단특성을 가진다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 구성된 대역통과 여파기에 따르면, 도 2b의 S₂₁에서 보이는 통과 대역이 4GHz~6GHz로 대역폭이 좁게 되며, 저지 대역의 형성을 위해 독립된 두 개의 고리구조를 만들고 이를 선형적으로 결합한 구조로 형성되기 때문에 구조가 상대적으로 크게 되는 문제점이 있었다.

또한, 초광대역을 사용할 경우에는 4GHz보다 더 낮은 주파수에서 동작해야 하므로 더욱 큰 구조가 될 수밖에 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대역폭의 확장과 초소형화를 달성할 수 있는 대역통과 여파기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 영-파수(Zero-wavenumber 혹은 infinite wavelength oscillation 무한파장 진동) 특성을 얻을 수 있는 메타재질 구조인 CRLH를 이용함으로써 초소형(≤λ_g/4)으로 제작 가능한 초광대역 대역통과 여파기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 더욱 향상된 주파수 선택성과 대역 저지 부분의 광대역 차단 특성을 실현하기 위하여 공진기에 스터브를 구비하여 고조파 불요공진 모드의 통과 특성을 억제할 수 있도록 제작이 용이한 초광대역 대역통과 여파기를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다음과 같은 세 가지 구조들을 제안한다.

우선, 본 발명은 마이크로스트립 선로 상에 입력포트와 출력포트를 구비하는 초광대역 대역통과 여파기에 있어서, 상기 입력포트와 출력포트 사이에서 직렬로 연결되는 한 쌍의 대칭 사다리형 인터디지틀 커패시턴스, 상기 한 쌍의 대칭 사다 리형 인터디지틀 커패시턴스로부터 연장되도록 병렬로 연결되고 끝단이 VIA 접지된 인덕턴스 직선선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 한 쌍의 사다리형 인터디지틀 커패시턴스는 파장이 λ_g/4 보다 작게 구성할 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 사다리형 인터디지틀 커패시턴스는, 초광대역(UWB)을 확보하기 위해 그 내부가 간격이 아주 좁은 평행선로들로 이루어질 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기 입력포트 및 출력포트에 각각 결합하는 계단형 임피던스 정합기(Stepped Impedance Matching circuit)를 포함할 수 있다. 입출력 포트에 계단형 임피던스 정합기(Matching)를 부착함으로써 반사손실(S₁₁)을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 실재 제작 환경을 고려하여 여파기의 핵심구조의 저항이 50Ω인 입출력 동축선 연결부위와 정합상태가 되면 반사손실이 훨씬 개선된다.

마지막으로, 입력포트와 출력포트의 반사손실을 저감하기 위해, 상기 입력포트 및 출력포트에 각각 결합하는 캐스캐이드 계단형 임피던스 정합기(Cascaded Stepped Impedance Matching circuit), 입력포트 및 출력포트에서 차단영역 불요공진 모드를 제거하기 위해, 상기 캐스캐이드 계단형 임피던스 정합기에 부착되는 금속 전송선로의 스터브(Stub)를 포함할 수 있다. 이 스터브는 종래의 발명이 대역폭 결정에 쓴 것과 달리, 대역외 차단영역에서 발생하는 불요 공진모드 신호만을 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 초광대역 대역통과 여파기에 따르면, 메타재질 구조를 이용하기 때문에 UWB 대역통과 여파기를 초소형(≤λ_g/4)으로 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 초광대역 대역통과 여파기에 따르면 입출력 포트에 정합회로를 부착하여 전체 크기에는 변화없이 반사손실을 훨씬 줄일 수 있게 된다.

아울러, 스터브를 사용하여 불요 고조파 공진모드를 제거할 수 있기 때문에 우수한 통과 특성과 더불어 높은 차단 특성과 광대역 저지 특성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 패턴도를 도시한 도면이다. 도 3에서 유전체 기판은 별도로 도시하지 않았으며, 도 3에 도시된 패턴은 유전체 기판에 마이크로스트립 구조로 형성한 것을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 50Ω에 맞는 폭을 유지하는 기본 마이크로스트립 전송선로에는 파장(λ_g)의 0.25배보다 훨씬 작은 한 쌍의 직렬 인터디지틀형 커패시턴스(40)(Interdigital_Cap) 및 끝단이 접지(Via_ShortCirc)된 병렬 전송선 형 인덕턴스(50)(Ind_Sh)만이 연결되어 있다.

마이크로스트립 선로의 입력포트(IN) 및 출력포트(OUT)와 직렬 연결된 사다리형 인터디지틀형 커패시턴스(40)의 커패시턴스(Cap_se)는 간격이 아주 좁은 평행선로들의 연속으로서 큰 축전용량으로 한층 증가된 결합량으로 작용한다. 이로 인해 7GHz에 달하는 초광대역(UWB)을 확보할 수 있게 된다.

또한, 인터디지틀형 커패시턴스(40)의 커패시턴스(Cap_se)와 함께 전송선형 인덕턴스(50)(Ind_Sh)에 의하여 UWB 대역의 하측 가장자리에 해당하는 3GHz 아래의 차단특성을 만들 수 있게 된다.

이와 동시에, 인덕턴스(Ind_Se)와 커패시턴스(Cap_Sh)의 특성을 이용하여 UWB 대역의 상측 가장자리에 해당하는 10GHz 이후의 차단특성을 만들 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 초광대역 대역통과 여파기의 초소형화 원리를 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.

마이크로스트립 선로의 회로정수(저항, 인덕턴스, 커패시턴스)와 Ind_Se와 Cap_Sh는 오른손 전파 현상을 따른다. 이는, 자연계에서 흔히 관찰되는 현상으로, 전파의 에너지와 위상의 이동방향이 동위상인 경우로서 대역통과 여파기의 저역통과 특성이 이에 해당된다.

한편 본 발명은 자연계에는 없는 왼손전파 현상을 이용한 것으로서, 구현가능한 인터디지틀형 커패시턴스(40)의 커패시턴스(Cap_se) 및 끝단이 접지된 병렬 전송선형 인덕턴스(Ind_Sh)의 쌍을 이용한다. 인터디지틀형 커패시턴스(40)의I커패시턴스(Cap_se) 및 전송선형 인덕턴스(Ind_Sh)이 전파의 에너지와 위상의 이동방향을 역위상으로 만들고 이를 마이크로스트립 선로 상에 부착하면, 오른손 전파법칙의 전송선로에서 생기는 위상 지연이 왼손 전파법칙의 구조의 위상에 의해 상쇄될 수 있다.

따라서, Cap_se와 Ind_Sh의 공진주파수 및 Cap_Sh와 Ind_Se의 공진주파수를 동일하게 UWB 대역의 중심에 맞추는 균형조건(Balanced condition)을 만족시키는 경우, 주파수는 존재하나 위상과 전파상수가 0이 되는 무한파장 현상이 발생한다.(Zeroth Order Resonance 혹은 ZOR)

이 경우 공진 조건은 공진기의 길이로부터 독립하는 상황이 만들어지기 때문에 대역통과 여파기의 크기가 0.25λ_g 이하가 된다.

참고적으로 종래의 '저역+고역 여파기'형태의 여파기는 기본 공진길이가 0.5λ_g의 정수 배로 다단의 경우 길이가 2λ_g를 초과하게 된다.

이와 같이, 종래의 여파기에 비해 본 발명에 따른 대역통과 여파기는 그 크기를 1/8수준으로 축소할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 UWB 대역 통과 필터 기본형에 정합기를 부착한 패턴도를 도시한다. 도 4에서는 유전체 기판은 별도로 도시하지 않았고, 도 4에 도시된 패턴은 유전체 기판에 마이크로스트립 구조로 형성한 것을 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 4의 핵심부인 대역통과 여파기 부분은 도 3과 동일하게 된다. 다만, 입력포트와 출력포트의 반사손실을 저감하기 위해, 상기 입력포트 및 출력포트에 각각 결합하는 계단형 임피던스 정합기(Stepped Impedance Matching circuit)(60)가 입력포트 및 출력포트에 연결되어 있다.

대역통과 여파기와 입력포트 및 출력포트 사이의 임피던스는 50Ω으로 같은 값이면 신호의 반사량이 줄어들어 반사손실이 저감될 수 있다. 이는 철저히 실재제작환경(SMA connector, 납땜)을 고려한 것이다. 이때, 계단형 임피던스 정합기(60)는 앞단(포트)의 저항을 변환시켜 뒷단의 여파기 부분의 임피던스에 맞춰주는 역할을 하게 된다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 UWB 대역통과 여파기에 계단형 임피던스 정합기와 스터브를 부착한 패턴도를 도시한다. 도 5에서는 유전체 기판은 별도로 도시하지 않았고, 유전체 기판 상면에 마이크로스트립 구조로 형성한 것을 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 5의 핵심부인 여파기 부분은 도 3 및 도 4에 도시된 구성과 동일하다. 다만, 도4의 계단형 임피던스 정합기(60)가 입력포트 및 출력포트에서 확장된 캐스캐이드 계단형 임피던스 정합기(61)가 부착되고, 입력포트 및 출력포트에서 차단영역 불요공진 모드를 제거하기 위해, 상기 캐스캐이드 계단형 임피던스 정합기(61)에 금속 전송선로의 스터브(Stub)(70)가 장착되어 있다.

계단형 임피던스 정합기의 확장은 스터브(70)의 도입으로 변하게 되는 앞뒷 단의 저항관계를 고려하면서 동시에 스터브(70)로 억제시키려는 불요공진 모드를 최대한 스터브 쪽으로 유도하는 역할을 수행한다.

해당 공진모드에서 스터브(70) 주위에 최대 전계가 걸리고 이를 개방형 90도 선로인 스터브로 단락시켜버리는 것이다. 이는 종래에 스터브를 이용하여 대역 가장자리만 만들던 방식과는 달리, 대역폭은 내부의 핵심 여파기에서 확보하고, 큰 차단대역을 형성하는 목적으로 스터브가 사용되는 것이다.

위에서 설명한 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 세 가지 실시예에 대한 통과 및 저지대역의 주파수 특성이 도 6 내지 도 8에 각각 도시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초광대역 대역통과 여파기는 3GHz~10GHz 대역과 같은 초광대역에서 동작 가능하다는 점을 알 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 계단형 임피던스 정합기를 추가함으로써 입력포트와 출력포트의 반사손실을 저감할 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 스터브를 추가함으로써 부품 전체의 크기를 변화시키지 않고 불요공진 모드를 제거할 수 있다.

위에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 초소형의 대역 통과 필터에 관한 것으로서, 무선통신이나 이동통신 특히 초광대역(UWB) 통신에 사용되는 고주파 통신장비/부품 산업에 그 이용가능 성이 현저하다.

도 1a 및 도1b는 종래 기술에 따른 고리형 전송선을 가지는 대역통과 여파기(4GHz~8GHz) 및 그 주파수 특성을 도시한 도면이다.

도 2a 및 도2b는 종래 기술에 따른 스터브 없는 연속 고리형 전송선을 가지는 대역통과 여파기(4GHz~6GHz) 및 그 주파수 특성을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 패턴도를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사손실이 낮아진 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 패턴도를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스터브를 이용함으로써 차단특성이 향상된 저반사손실 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 패턴도를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 통과 및 대역저지 특성을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 통과 및 대역저지 특성을 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스터브를 이용한 차단특성이 향상된 저반사손실 초소형 메타구조를 가지는 초광대역 밴드패스 필터(UWB BPF)의 통과 및 대역저지 특성을 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명>

10: 전송선

21, 22: 스터브

40: 인터디지틀 커패시턴스

50: 인덕턴스 직선선로

60: 계단형 임피던스 정합기

61: 캐스캐이드 계단형 임피던스 정합기

70: 스터브

Claims (5)

1. 삭제
2. 마이크로스트립 선로 상에 입력포트와 출력포트를 구비하는 초광대역 대역통과 여파기에 있어서,

   상기 입력포트와 출력포트 사이에서 직렬로 연결되는 한 쌍의 대칭 사다리형 인터디지틀 커패시턴스,

   상기 한 쌍의 대칭 사다리형 인터디지틀 커패시턴스로부터 연장되도록 병렬로 연결되고 끝단이 VIA 접지된 인덕턴스 직선선로를 포함하며,

   상기 한 쌍의 사다리형 인터디지틀 커패시턴스는 파장이 λ_g/4 보다 작은 것을 특징으로 하는 초광대역 대역통과 여파기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images