KR101451360B1

KR101451360B1 - 병렬 구조 crlh 전송선로를 이용한 광대역 필터

Info

Publication number: KR101451360B1
Application number: KR1020130104046A
Authority: KR
Inventors: 김영; 성규제
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2014-10-15

Abstract

본 발명은 메타물질인 Composite Right/Left-Handed(CRLH) 전송선로를 변형한 병렬구조 CRLH 전송선로를 이용하는 광대역 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 필터에 있어서, 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 직렬로 연결시킨 직렬연결 선로와, 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 병렬로 연결시킨 병렬연결 선로로 구성된 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀이 적어도 하나 이상 구현되는 것을 특징으로 하고, 상기 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 다수개 직렬로 연결시켜 필터의 차단특성을 개선시키는 것을 특징으로 하며, 상기 전송선로는 직렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수와, 병렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수 사이에서만 통과 대역 특성을 갖는 것으로 상기 공진 주파수들을 조절하여 광대역의 필터를 구현하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 대역통과 필터를 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀 구조로 구현함으로써, 직렬로 연결된 소자의 공진주파수와 병렬로 연결된 소자의 공진주파수 사이에서만 통과대역 특성을 갖게 되므로, 이 단위 셀을 원하는 개수만큼 직렬로 연결하는 구조이기 때문에 필터 설계가 쉽고, 단순히 연결 구조 뿐만아니라 스커트 특성을 개선할 수 있는 정점이 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

병렬 구조 CRLH 전송선로를 이용한 광대역 필터{Broadband filter of using parallel structure CRLH transmission line}

본 발명은 광대역 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메타물질인 Composite Right/Left-Handed(CRLH) 전송선로를 변형한 병렬구조 CRLH 전송선로를 이용하는 광대역 필터에 관한 것이다.

일반적으로 수 GHz 이상의 주파수에서 집중소자를 사용한 여파기 설계는 구현하기가 어렵기 때문에 마이크로스트립 또는 스트립 라인을 사용하며, 이것으로 구성된 여파기는 대역 통과 특성을 정교하게 제어할 때 사용되고 있다.

상기 마이크로스트립 라인을 사용한 여파기 형태는 크게 선로상의 커플링, 선로상의 공진, 다중 임피던스 연결의 원리를 이용하여 구현한다. 이러한 종래의 여파기들은 일반적으로 λ/4 (λ은 관내 파장임)의 정수배의 크기를 갖고 있으며, 이것을 이용하여 개선된 차단 특성을 얻기 위하여 여러 단으로 구성하여 사용하게 되는데 이러한 경우 여파기의 크기가 커지고 또한, 주기적 구조가 아니므로 설계가 어려운 단점을 가지고 있다.

대한민국 등록특허 10-1007542(등록일자 2011년01월05일)

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 대역통과 필터를 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀로 구현하여, 이 단위 셀을 원하는 개수만큼 직렬로 연결함으로써, 필터 설계가 쉽고 연결 구조가 단순할 뿐만아니라 스커트 특성을 개선할 수 있는 병렬 구조 CRLH 전송선로를 이용한 광대역 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬 구조 CRLH 전송선로를 이용한 광대역 필터는, 광대역 필터에 있어서, 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 직렬로 연결시킨 직렬연결 선로와, 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 병렬로 연결시킨 병렬연결 선로로 구성된 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀이 적어도 하나 이상 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 다수개 직렬로 연결시켜 필터의 차단특성을 개선시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 전송선로는 직렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수와, 병렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수 사이에서만 통과 대역 특성을 갖는 것으로 상기 공진 주파수들을 조절하여 광대역의 필터를 구현하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 대역통과 필터를 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀 구조로 구현함으로써, 직렬로 연결된 소자의 공진주파수와 병렬로 연결된 소자의 공진주파수 사이에서만 통과대역 특성을 갖게 되므로, 이 단위 셀을 원하는 개수만큼 직렬로 연결하는 구조이기 때문에 필터 설계가 쉽고, 단순히 연결 구조 뿐만아니라 스커트 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 병렬구조 CRLH 전송선로를 선택적으로 사용하기 때문에 대역통과 특성은 동일하면서 단위 셀을 이용한 설계 방법으로, 여파기의 크기가 λ/4의 정수 배가 아닌 작은 크기를 갖는 광대역 필터를 제공하는 장점이 있다.

도 1은 종래의 CRLH 전송선로의 단위 셀 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 등가회로의 분산 특성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 등가회로의 특성 임피던스를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 직렬 연결시킨 대역통과 필터 예제를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 직렬 연결시킨 대역통과 필터 S-파라미터 특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 구조 CRLH 전송선로를 이용한 광대역 필터를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 CRLH 전송선로의 단위 셀 등가회로를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀 등가회로를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 등가회로의 분산 특성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 등가회로의 특성 임피던스를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 직렬 연결시킨 대역통과 필터 예제를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 직렬 연결시킨 대역통과 필터 S-파라미터 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 병렬 구조 CRLH 전송선로를 이용한 광대역 필터는, 정보 통신 신호 처리 분야에 속한 기술로 신호의 송수신단에서 동작되어지는 회로 내에서 사용되는 대역통과 여파기 부분으로 중요한 기술적 회로이며 그 용도는 통신 신호의 통과 또는 저지에 이용된다.

또한, 본 발명은 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀을 이용한 구조로 설계되며, 하나의 병렬 단위 셀의 소자 값들만 구하여 대역통과 필터를 설계하고, 이러한 특성의 단위 셀을 여러 개 연결하여 구성하므로 더 좋은 대역외 차단 특성을 가진 대역통과 여파기를 구현할 수 있게 된다.

상기 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀은 직렬연결 선로와 병렬연결 선로로 구현되며, 상기 직렬연결 선로는 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 직렬 형태로 연결되도록 구성한 것이고, 상기 병렬연결 선로는 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 병렬 형태로 연결되도록 구성한 것이다.

이와 같이 구성된 전송선로는 직렬 연결된 등가회로 소자의 공진주파수와 병렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수 사이에서만 통과 대역 특성을 갖고 있어, 여기서 두 공진 주파수를 조절하여 광대역의 필터를 구현할 수 있게 된다.

한편, 도 1은 종래의 CRLH 전송선로의 단위 셀 등가회로를 나타낸 것으로, 고역통과 특성을 갖고 있는 Left-Handed (LH) 전송선로와 저역통과 특성을 갖고 있는 Right-Handed (RH) 전송선로가 결합된 대역통과 특성을 갖고 있는 CRLH 전송선로의 단위 셀 구조를 나타낸 것이다. 이 단위 셀은 고주파 특성을 나타내는 Left-Handed (LH) 전송선로로의 구현 시 기생 성분에 의하여 CRLH 전송선로가 만들어지는 특징을 갖고 있다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 병렬구조 CRLH 전송선로의 등가회로를 나타낸 것으로, 이것의 분산 특성과 특성 임피던스는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Z' 는 병렬로 연결된 인덕터와 캐패시터의 직렬 임피던스 이다.

여기서, Y' 는 병렬로 연결된 인덕터와 캐패시터의 병렬 어드미턴스 이다.

여기서,

는 전달상수를 나타낸다.

여기서, Zo는 병렬 CRLH 전송선로의 임피던스 값을 의미한다.

병렬구조 CRLH 전송선로의 특성은 단위 셀을 구성하는 Z_R = jωL_R,

Z_L = 1/(jωC_L) 과 Y_R = jωC_R, Y_L = 1/(jωL_L) 의 주파수 특성을 이용해 설명할 수 있다.

ω < ω_sh < ω_se또는 ω < ω_se < ω_sh인 낮은 주파수에서는 Z_R 《 Z_L,

Y_R ≫ Y_L 이므로 C_L과 C_R이 낮은 임피던스 값을 갖게 되어

= ∝ 가 된다.

min(ω_se, ω_sh) < ω < max(ω_se, ω_sh)인 중간 주파수에서는 ω_se<ω < ω_sh인 경우 Z' < 0 이고 Y' < 0 이므로 LH 전송선로가 되고, ω_sh< ω < ω_se 인 경우 Z' > 0 이고 Y' > 0 이므로 RH 전송선로가 된다.

ω_se= ω_sh인 경우는 모든 대역에서

= ∝ 가 되어 전대역 대역저지 특성이 나타난다. 이러한 특성을 도 3에 도시된 바와 같다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 병렬구조 CRLH 전송선로의 특성 임피던스의 주파수 특성을 나타낸 것으로,

min(ω_se, ω_sh) < ω < max(ω_se, ω_sh)의 주파수 대역에서 실수의 특성 임피던스를 갖고,

ω < min(ω_se, ω_sh) 또는 max(ω_se, ω_sh) < ω 의 주파수 대역에서는 허수의 특성 임피던스를 갖는다.

분산특성에서와 같이 대역통과 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.

ω_se= ω_sh인 경우 모든 대역에서 허수의 특성 임피던스를 갖고 있어, 분산특성에서와 같이 전대역 대역저지 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.

또한, 도 5는 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 직렬 연결시킨 대역통과 필터 예제를 나타낸 것이고, 도 6은 도 5에 도시된 대역통과 필터의 S-파라미터 특성을 나타낸 것이다.

이와 같은, 본 발명은 병렬구조 CRLH 전송선로의 단위 셀을 이용한 구조로 하나의 병렬 단위 셀의 소자 값들만 구하여 광대역 통과 필터를 설계할 수 있으며, 이러한 특성의 단위 셀을 여러개 연결하여 구성할 때는 더 좋은 대역외 차단 특성을 가진 대역통과 여파기를 구현할 수 있다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면, 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또 다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

Claims

광대역 필터에 있어서,
인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 직렬로 연결시킨 직렬연결 선로와, 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결된 등가회로를 병렬로 연결시킨 병렬연결 선로로 구성된 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀이 적어도 하나 이상 구현되는 것을 특징으로 하는 병렬구조 CRLH 전송선로를 이용하는 광대역 필터.
제 1 항에 있어서,
상기 병렬구조 CRLH 전송선로 단위 셀을 다수개 직렬로 연결시켜 필터의 차단특성을 개선시키는 것을 특징으로 하는 병렬구조 CRLH 전송선로를 이용하는 광대역 필터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전송선로는 직렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수와, 병렬로 연결된 등가회로 소자의 공진주파수 사이에서만 통과 대역 특성을 갖는 것으로 상기 공진 주파수들을 조절하여 광대역의 필터를 구현하는 것을 특징으로 하는 병렬구조 CRLH 전송선로를 이용하는 광대역 필터.