KR101606179B1 - Band-pass filter with resonator using mnz metamaterial - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터가 개시된다. 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터는 기판 상에 사각형 형상을 갖는 헤어핀 공진기의 구조와 그 헤어핀 공진기의 양단에 인터디지털 커패시터의 구조를 결합하여 형성되는 제1 공진 패턴부와 상기 제1 공진 패턴부를 구성하는 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 사이에 형성되는 공간 내에 배치되는 미엔더 라인 구조의 제2 공진 패턴부로 이루어진 다수의 공진기; 상기 공진기 각각으로 신호 및 전력을 전달하는 다수의 연결 라인; 및 상기 다수의 연결 라인에 연결되어 상기 신호 및 전력을 전송하는 전송 라인을 포함한다.A band-pass filter having a resonator using an MNZ meta-material according to the present invention is disclosed. The bandpass filter having a resonator using the MNZ meta-material according to the present invention includes a first resonance pattern part formed by combining the structure of a hairpin resonator having a quadrangular shape on a substrate and the structure of an interdigital capacitor at both ends of the hairpin resonator, A plurality of resonators formed of a second resonance pattern portion of a meander line structure disposed in a space formed between the hairpin resonator and the interdigital capacitor constituting the first resonance pattern portion; A plurality of connection lines for transmitting signals and power to each of the resonators; And a transmission line connected to the plurality of connection lines for transmitting the signals and power.
Description
본 발명은 대역통과 필터에 관한 것으로서, 특히, MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a bandpass filter, and more particularly, to a bandpass filter having a resonator using an MNZ metamaterial.
오늘날, 차량의 수가 급격하게 증가하면서 운전자를 위한 서비스용 이동통신 기술뿐만 아니라 안전을 위한 단속 시스템에 대한 기술이 발전하고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] Today, with the rapid increase in the number of vehicles, technologies for safety interception systems as well as mobile communication technologies for drivers are developed.
예컨대, 과속 차량을 단속하기 위한 X-밴드(band)에 해당하는 10 GHz의 주파수를 가진 스피드 건(speed gun)은 내부에 구성된 공진기의 높은 주파수 선택도(Quality Factor)와 집적화를 위한 평면구조, 그리고 작은 크기가 요구 되고 있다.For example, a speed gun having a frequency of 10 GHz corresponding to an X-band for interrupting an overspeed vehicle has a high frequency selectivity (Quality Factor) and a planar structure for integration, And small size is required.
이러한 평면구조의 공진기는 Q 값이 상대적으로 낮은데 그 크기를 줄이게 되면 주파수가 변하기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행 중에 있다.The resonator of such a planar structure has a relatively low Q value. When the size of the resonator is reduced, the frequency is changed. Therefore, various studies are under way to solve this problem.
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 헤어핀 공진기의 구조에 인터디지털 커패시터, 미엔더 라인을 결합하되, 헤어핀 공진기의 양단에 인터디지털 커패시터를 결합하고 그 결합한 헤이핀 공진기와 인터디지털 커패시터 사이에 형성된 공간에 미엔더 라인을 배치하도록 한 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a hairpin resonator having an interdigital capacitor and a meander line coupled to the structure of the hairpin resonator, wherein an interdigital capacitor is coupled to both ends of the hairpin resonator, And to provide a band-pass filter having a resonator using an MNZ meta-material in which a meander line is disposed in a space formed between interdigital capacitors.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터는 기판 상에 사각형 형상을 갖는 헤어핀 공진기의 구조와 그 헤어핀 공진기의 양단에 인터디지털 커패시터의 구조를 결합하여 형성되는 제1 공진 패턴부와 상기 제1 공진 패턴부를 구성하는 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 사이에 형성되는 공간 내에 배치되는 미엔더 라인 구조의 제2 공진 패턴부로 이루어진 다수의 공진기; 상기 공진기 각각으로 신호 및 전력을 전달하는 다수의 연결 라인; 및 상기 다수의 연결 라인에 연결되어 상기 신호 및 전력을 전송하는 전송 라인을 포함할 수 있다.In order to achieve the above objects, a bandpass filter having a resonator using an MNZ meta-material according to an aspect of the present invention includes a structure of a square-shaped hairpin resonator on a substrate and a structure of an interdigital capacitor on both ends of the hairpin resonator A plurality of resonators formed of a first resonance pattern portion formed by combining the first resonance pattern portion and a second resonance pattern portion of a meander line structure disposed in a space formed between the hairpin resonator and the interdigital capacitor constituting the first resonance pattern portion; A plurality of connection lines for transmitting signals and power to each of the resonators; And a transmission line connected to the plurality of connection lines to transmit the signal and power.
바람직하게, 상기 제1 공진 패턴부는 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 조절하여 공진 주파수가 조절되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the resonance frequency of the first resonance pattern portion is adjusted by controlling the width of the gap between the hairpin resonator and the interdigital capacitor.
바람직하게, 상기 제1 공진 패턴부는 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 줄이게 되면 상기 공진 주파수의 값은 낮아지게 되고 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 높이게 되면 상기 공진 주파수는 높이지게 되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the first resonance pattern portion has a lower resonance frequency when the gap between the hairpin resonator and the interdigital capacitor is reduced, and when the gap between the hairpin resonator and the interdigital capacitor is increased, And the frequency is increased.
바람직하게, 상기 공진 주파수는 공진기의 등가 회로에서 인덕턴스 L0와 커패시턴스 C0에 의해 결정되되, 여기서, 상기 인덕턴스 L0는 상기 헤어핀 공진기의 전체 길이에 상응하는 인덕턴스를 나타내고, 상기 커패시턴스 C0는 상기 인터디지털 커패시터에 상응하는 전체 커패시턴스를 나타내는 것을 특징으로 한다.Preferably, the resonant frequency is doedoe determined by the inductance L 0 and the capacitance C 0 on the equivalent circuit of the resonator, wherein the inductance L 0 represents an inductance corresponding to the total length of the hairpin resonator, the capacitance C 0 is the And represents the total capacitance corresponding to the interdigital capacitor.
바람직하게, 상기 제2 공진 패턴부는 폭에 따라 대역 차단 특성이 조절되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the second resonance pattern portion is characterized in that a band-stop characteristic is adjusted according to a width.
바람직하게, 상기 제1 공진 패턴부는 상기 제1 공진 패턴부 내 상기 헤어핀 공진기의 수평 방향의 폭과 수직 방향의 폭에 따라 Q 값이 조절되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the first resonance pattern portion has a Q value adjusted in accordance with a horizontal width and a vertical width of the hairpin resonator in the first resonance pattern portion.
바람직하게, 상기 연결 라인은 상기 다수의 공진기 각각에 연결되는 다수의 제1 연결 라인과 상기 다수의 제1 연결 라인 각각을 모두 연결하는 하나의 제2 연결 라인을 포함하되, 상기 제1 연결 라인의 폭에 따라 대역통과 또는 대역저지 특성이 변경되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the connection line includes a plurality of first connection lines connected to each of the plurality of resonators, and a second connection line connecting both of the plurality of first connection lines, And the band pass or the band stop characteristic is changed according to the width.
바람직하게, 상기 제1 연결 라인의 폭이 넓어짐에 따라 상기 대역저지 특성으로 변경되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the band-stop characteristic is changed as the width of the first connection line increases.
바람직하게, 상기 제1 연결 라인의 폭이 좁아짐에 따라 상기 대역통과 특성으로 변경되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the band-pass characteristics are changed as the width of the first connection line is narrowed.
바람직하게, 상기 다수의 공진기 각각에 연결되는 다수의 제1 연결 라인의 길이에 따라 위상이 조절되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the phase is adjusted according to the lengths of the plurality of first connection lines connected to the plurality of resonators.
이를 통해, 본 발명은 헤어핀 공진기의 구조에 인터디지털 커패시터, 미엔더 라인을 결합하되, 헤어핀 공진기의 양단에 인터디지털 커패시터를 결합하고 그 결합한 헤이핀 공진기와 인터디지털 커패시터 사이에 형성된 공간에 미엔더 라인을 배치하도록 함으로써, 집적화가 용이하고 Q 값이 높으며 크기를 자유롭게 조절할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, the present invention provides a hairpin resonator that includes an interdigital capacitor, a meander line, and an interdigital capacitor coupled to both ends of the hairpin resonator, and a space formed between the coupled Heinfin resonator and the interdigital capacitor, It is easy to integrate, the Q value is high, and the size can be freely adjusted.
또한, 본 발명은 헤어핀 공진기와 미엔더 라인 사이에서 높은 Q를 유도하는 강한 커플링 효과로 인해 감쇠극(attenuation pole)과 예리한 대역 차단 특성을 제공할 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has the effect of providing an attenuation pole and a sharp band-stop characteristic due to a strong coupling effect inducing a high Q between the hairpin resonator and the meander line.
또한, 본 발명은 MNZ 메타 물질을 이용하여 제로(0) 값에 근접한 고유 투과율의 크기 때문에 대역 저지 공진과 양의 위상 응답(+90°)을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of providing band-stop resonance and a positive phase response (+ 90 °) due to the magnitude of the intrinsic transmittance close to zero (0) values using the MNZ metamaterial.
또한, 본 발명은 다수의 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기와 전송 라인을 연결하는 연결 라인의 길이 또는 폭을 조절하여 삽입과 반사 소실을 줄일 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has the effect of reducing insertion and reflection loss by controlling the length or width of a connection line connecting a resonator and a transmission line using a plurality of MNZ metamaterials.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 종류를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 위상 응답을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 0 값의 고유 투과율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공진기의 신호 파형에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 공진 주파수의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공진기의 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대역통과 필터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 지파 대역통과 필터의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 11a 내지 도 11b는 본 발명에 따른 지파 주기 구조를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대역통과 필터의 실제 형상을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 BPF의 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a resonator using an MNZ meta-material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an equivalent circuit of a resonator using the MNZ meta-material shown in FIG.
3A to 3C are views showing the types of resonators according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a phase response of a resonator according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams showing simulation results for intrinsic transmittance of zero values.
6 is a diagram showing a simulation result of a signal waveform of a resonator according to the present invention.
7 is a diagram showing a simulation result of a change in resonant frequency according to the present invention.
8 is a view showing simulation results and measurement results of a resonator according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a structure of a band-pass filter according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing an equivalent circuit of the tributary band-pass filter shown in Fig.
11A to 11B are diagrams showing a trench period structure according to the present invention.
12 is a view showing an actual shape of a band-pass filter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing simulation results and measurement results of a BPF according to an embodiment of the present invention. FIG.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.Hereinafter, a bandpass filter having a resonator using an MNZ meta-material according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention will be described in detail with reference to the portions necessary for understanding the operation and operation according to the present invention.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.In describing the constituent elements of the present invention, the same reference numerals may be given to constituent elements having the same name, and the same reference numerals may be given thereto even though they are different from each other. However, even in such a case, it does not mean that the corresponding component has different functions according to the embodiment, or does not mean that the different components have the same function. It should be judged based on the description of each component in the example.
본 발명에서는 헤어핀 공진기(hair-pin resonator)의 구조에 인터디지털 커패시터(interdigital capacity), 미엔더 라인(meander line)을 결합하되, 헤어핀 공진기의 양단에 인터디지털 커패시터를 결합하고 그 결합한 헤이핀 공진기와 인터디지털 커패시터 사이에 형성된 공간에 미엔더 라인을 배치하도록 한 공진기를 갖는 대역통과 필터를 제안한다.In the present invention, an interdigital capacitor and a meander line are coupled to a structure of a hair-pin resonator, an interdigital capacitor is coupled to both ends of the hairpin resonator, and a coupled He pin resonator A bandpass filter having a resonator in which a meander line is disposed in a space formed between the interdigital capacitors is proposed.
특히, 본 발명은 평면 구조에서 집적화가 용이하고 Q 값이 높으며 크기를 자유롭게 조절할 수 있도록 고유 투자율의 크기를 0 값에 접근하도록 하는 MNZ(Mu Near Zero) 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터를 제안한다.More particularly, the present invention relates to a band-pass filter having a resonator using an MNZ (Mu Near Zero) meta-material which allows easy integration in a planar structure, high Q value, I suggest.
여기서 메타 물질이라 함은 자연계에서 자연적으로 존재하는 일반 물질에서는 쉽게 볼 수 없는 전자기적 특성을 지닌 인공적인 구조물을 의미하는 것으로, 이러한 메타 물질의 특성은 물질 조성에서 얻어지기 보다는 공진기와 같은 구조적 요소에서 얻어지므로 메타 구조라고도 부를 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서 메타 물질은 공진기의 구조, 위상의 굴절, 등기회로의 형태를 변경하면서 특성을 얻는다.Here, the term " meta-material " means an artificial structure having electromagnetic characteristics that can not be easily seen in a natural material naturally occurring in nature. The properties of such a meta- It can be called a meta structure. That is, in the present invention, the metamaterial obtains characteristics while changing the structure of the resonator, the refraction of the phase, and the shape of the register circuit.
본 발명에 따른 공진기는 저위상 잡음 발진기(oscillator), 전압제어발진기(voltage controlled oscillator), 주파수 혼합기(mixer)를 위한 대역 통과 여파기, 듀플렉서(duplexer), 다이플렉서(diplexer), 안테나, 위상루프고정기(PLL), 주파수 합성기, 및 RF 시스템을 위한 증폭기 등에 적용이 가능하다.The resonator according to the present invention can be used for a low phase noise oscillator, a voltage controlled oscillator, a bandpass filter for a frequency mixer, a duplexer, a diplexer, PLLs, frequency synthesizers, and amplifiers for RF systems.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a resonator using an MNZ meta-material according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기는 기판(110), 제1 공진 패턴부(120), 및 제2 공진 패턴부(130)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention may include a
기판(110)은 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판을 사용할 수 있다. 이러한 기판(100)은 예컨대, 테프론(Teflon) 기판, 글라스 에폭시 기판(FR-4) 등 전도성이 매우 낮은 즉, 절연체에 가까운 전기적인 특성을 만족하는 기판일 수 있다.The
제1 공진 패턴부(120)는 사각형 형상을 갖는 헤어핀 공진기를 형성하는 제1 패턴과 헤어핀 공진기의 양단에 결합되는 인터디지털 커패시터를 형성하는 제2 패턴으로 이루어질 수 있다.The first
이때, 제2 패턴은 제1 패턴의 양단에 의해 형성된 갭(gap)에 결합될 수 있다.At this time, the second pattern may be coupled to a gap formed by both ends of the first pattern.
제2 공진 패턴부(130)는 제1 공진 패턴부(120)에 형성된 공간에 형성될 수 있다.The second
이때, 제1 공진 패턴부(120)와 제2 공진 패턴부(130)는 금속도체패턴으로 형성될 수 있는데, 여기서 금속도체패턴은 인덕터의 역할을 하고 갭은 커패시터의 역할을 함으로써, 공진기에 입사되는 전자기적 신호의 공진을 유도할 수 있다.In this case, the first
여기서, l1, l2, l3은 헤어핀 공진기의 수평 방향 또는 수직 방향의 길이를 나타내고, l4는 인터디지털 커패시터의 길이를 나타내며, l5는 미엔더 선로의 길이를 나타낸다. w1, w2는 헤어핀 공진기의 폭을 나타내고, w3는 미엔더 선로의 폭을 나타내며, w4는 인터디지털 커패시터의 폭을 나타낸다. g1, g2는 인터디지털 커패시터의 커플링(coupling) 갭을 나타내고, ga, gb는 헤어핀 공진기와 미엔더 선로 사이의 갭을 나타낸다.Here, l1, l2 and l3 represent the horizontal or vertical length of the hairpin resonator, l4 represents the length of the interdigital capacitor, and l5 represents the length of the meander line. w1 and w2 represent the width of the hairpin resonator, w3 represents the width of the meander line, and w4 represents the width of the interdigital capacitor. g1 and g2 represent the coupling gaps of the interdigital capacitors, and ga and gb represent the gaps between the hairpin resonator and the meander lines.
이때, l1, l2는 공진기의 크기를 조절할 수 있고, l4는 주파수를 낮을 수 있으며, w1, w2는 Q 값을 높여줄 수 있으며, w3은 대역 차단 특성을 조절할 수 있으며, g1, g2는 주파수를 높일 수 있고, ga는 삽입 손실을 낮출 수 있는 역할을 한다.In this case, l1 and l2 can control the size of the resonator, l4 can be low, w1 and w2 can increase the Q value, w3 can control the band-stop characteristics, g1 and g2 can control the frequency , And ga serves to lower the insertion loss.
도 2는 도 1에 도시된 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 등가회로를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view showing an equivalent circuit of a resonator using the MNZ meta-material shown in FIG.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 등가회로를 보여주고 있다. 여기서 L0는 헤어핀 공진기의 전체 길이에 상응하는 인덕턴스를 나타내고, L1은 미엔더 선로의 전체 길이에 상응하는 인덕턴스를 나타낸다. C0는 인터디지털 커패시터에 상응하는 전체 커패시턴스를 나타내고, Cc는 미엔더 선로의 전체 길이에 상응하는 커패시턴스를 나타내며, Ca, Cb는 헤어핀 공진기와 미엔더 선로 사이의 갭에 상응하는 커패시턴스를 나타낸다.As shown in FIG. 2, the equivalent circuit of the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention is shown. Where L 0 represents the inductance corresponding to the total length of the hairpin resonator and L 1 represents the inductance corresponding to the total length of the meander line. C 0 represents the total capacitance corresponding to the interdigital capacitor, C c represents the capacitance corresponding to the total length of the meander line, and Ca and Cb represent the capacitance corresponding to the gap between the hairpin resonator and the meander line.
이때, 인덕턴스 L0와 커패시턴스 C0는 공진기의 등가회로에서 공진 주파수를 결정할 수 있는데, 이러한 공진 주파수 w0는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.At this time, the inductance L 0 and the capacitance C 0 can determine the resonance frequency in the equivalent circuit of the resonator. The resonance frequency w 0 is expressed by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
여기서, r0는 헤어핀 공진기의 평균 반경(average radius)을 나타낸다.Here, r 0 represents the average radius of the hairpin resonator.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 종류를 나타내는 도면이다.3A to 3C are views showing the types of resonators according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 종류를 보여주는데, 도 3a의 커패시티브 결합(capacitive coupling), 도 3b의 직접 급전(direct feeding), 도 3c의 인덕티브 결합(inductive coupling)으로 구분된다.3A to 3C, there are shown the types of resonators using the MNZ meta-material according to the present invention, including capacitive coupling in FIG. 3A, direct feeding in FIG. 3B, And inductive coupling.
여기서, Z0는 특성 임피던스(characteristic impedance)를 나타낸다.Here, Z 0 represents a characteristic impedance.
도 3a에서 s는 공진기의 신호 및 전력을 전송 라인에 보내주기 위한 결합 역할을 하는 영역이기도 하지만, Q와 삽입 손실을 2차 보정하는 역할을 할 수 있다. 이러한 용량 결합 구조를 나타내는 s가 작아지면 Q와 삽입 손실 특성이 더욱 향상될 수 있다.In FIG. 3A, s is a region serving as a coupling for transmitting the signal and power of the resonator to the transmission line, but it may serve to correct the Q and the insertion loss secondarily. When s representing the capacitive coupling structure becomes smaller, the Q and insertion loss characteristics can be further improved.
도 3c에서 lm은 공진기와 전송 라인 사이를 연결하기 위한 라인을 나타낸다. 등가 회로에서 Lm은 유도 결합 구조를 나타내는 lm에 상응하는 인덕턴스이다.In FIG. 3C, lm represents a line for connecting the resonator and the transmission line. In the equivalent circuit, Lm is the inductance corresponding to lm, which represents the inductive coupling structure.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 위상 응답을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a phase response of a resonator according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기는 양의 위상 응답 +90°을 갖는 반면, 종래의 공진기는 음의 위상 응답 -90°를 갖는다.As shown in FIG. 4, the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention has a positive phase response of + 90 °, while a conventional resonator has a negative phase response of -90 °.
도 5a 내지 도 5b는 0 값의 고유 투과율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.5A and 5B are diagrams showing simulation results for intrinsic transmittance of zero values.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 위상 응답으로, 공진 주파수의 양의 위상 응답(+90°)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.Referring to FIG. 5A, there is shown a simulation result of a positive phase response (+ 90 DEG) of a resonant frequency in a phase response of a resonator using an MNZ meta-material according to the present invention.
도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 음의 고유 투과율의 실수부(real)와 허수부(imaginary)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.Referring to FIG. 5B, simulation results of the real and imaginary parts of the negative intrinsic transmittance of the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention are shown.
여기서, wp는 마그네틱 플라즈마 주파수를 나타내고 wo는 공진 주파수를 나타낸다.Where w p represents the magnetic plasma frequency and w o represents the resonant frequency.
이러한 마그네틱 플라즈마 주파수는 음의 값부터 0까지의 고유 투과율의 지점을 나타낸다. 따라서 (wp- wo)의 주파수 범위는 고유 투과율 영역의 0 값이 된다.This magnetic plasma frequency represents a point of intrinsic transmittance from negative to zero. Therefore, the frequency range of (w p - w o ) becomes 0 in the intrinsic transmittance region.
이는 주파수 도메인의 고유 투과율이 0이 되기 때문에 네거티브 반사 현상을 갖는 것을 의미한다. 그래서, 주파수 범위는 0차 공진 또는 MNZ로 불려진다.This means that the intrinsic transmittance of the frequency domain becomes zero and thus has a negative reflection phenomenon. Thus, the frequency range is called the zero order resonance or MNZ.
도 6은 본 발명에 따른 공진기의 신호 파형에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing a simulation result of a signal waveform of a resonator according to the present invention.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 메타 물질을 이용한 공진기의 신호 파형을 보여주는데, 종래의 전송 이론에서의 신호의 방향과 비교하면 신호가 반대 방향인 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, the signal waveform of the resonator using the meta-material according to the present invention is shown, which is opposite to the direction of the signal in the conventional transmission theory.
따라서, 공진 주파수는 공진기의 사이즈가 감소할수록 더 낮은 값을 갖는다.Therefore, the resonance frequency has a lower value as the size of the resonator decreases.
도 7은 본 발명에 따른 공진 주파수의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.7 is a diagram showing a simulation result of a change in resonant frequency according to the present invention.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 갭 g1의 역할로서 공진 주파수의 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.As shown in FIG. 7, the simulation result of the resonance frequency change as the role of the gap g1 of the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention is shown.
아래의 [표 1]은 0.01m 값으로 증가하는 g1의 변화를 갖는 공진 주파수의 변화를 나타낸다.Table 1 below shows the change in resonance frequency with a change of g1 increasing to a value of 0.01m.
[표 1][Table 1]
결과적으로, 공진기와 인터디지털 커패시터 간의 갭 g1의 넓이를 줄이게 되면 주파수 값은 낮아지게 되고 갭의 넓이를 높이게 되면 주파수는 높이지게 된다.As a result, if the width of the gap g 1 between the resonator and the interdigital capacitor is reduced, the frequency value becomes lower and the frequency becomes higher when the gap width is increased.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공진기의 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내는 도면이다.8 is a view showing simulation results and measurement results of a resonator according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기의 시뮬레이션과 측정 결과를 보여주는데, 중심 주파수(center frequency)에서 시뮬레이션 결과로 부하 Q 지수 QL 384와 측정 결과로 QL 167을 얻는다.As shown in FIG. 8, the simulation and measurement results of the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention are shown. As a simulation result at the center frequency, the load Q index Q L 384 and the measurement result Q L 167 .
다음의 [표 2]는 제안된 공진기와 종래의 공진기의 크기와 QL의 비교 결과를 나타낸다.The following Table 2 shows the results of comparison between the size of the proposed resonator and the conventional resonator and QL.
[표 2][Table 2]
이를 통해, 공진기와 인터디지털 커패시터 구조 간의 최적화된 커플링 갭은 높은 QL을 유도하는 매우 강한 전자기적 커플링을 갖는다는 것을 알 수 있다.It can be seen from this that the optimized coupling gap between the resonator and the interdigital capacitor structure has very strong electromagnetic coupling leading to a high Q L.
즉, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기는 상기 [표 2]에서 언급한 다른 공진기들과 비교하면 높은 QL과 더 작은 크기를 갖는 것을 알 수 있다.That is, it can be seen that the resonator using the MNZ meta-material according to the present invention has a higher Q L and a smaller size as compared with the other resonators mentioned in [Table 2].
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대역통과 필터의 구조를 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating a structure of a band-pass filter according to an embodiment of the present invention.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 대역통과 필터(Band-Pass Filter; BPF)는 MNZ 메타 물질 공진기로 구성될 수 있는데, 다수의 공진기(100a, 100b, 100c), 제1 연결 라인(connection line)(200a, 200b, 200c), 제2 연결 라인(210), 및 전송 라인(transmission line)(300)을 포함할 수 있다.9, a band-pass filter (BPF) according to the present invention can be configured as an MNZ metamaterial resonator, and includes a plurality of
여기서, Z0는 입력 및 출력 전송 라인의 특성 임피던스를 나타내고, Zin1, Zin2, Zin3은 각 공진기쪽으로 lm을 바라보는 입력 임피던스를 각각 나타낼 수 있다.Here, Z 0 represents the characteristic impedance of the input and output transmission lines, and Z in1 , Z in2 , and Z in3 represent the input impedance toward lm toward each resonator.
또한 d는 공진기들의 연결을 위한 연결 라인 즉, 제1 연결 라인(200a, 200b, 200c)을 연결하는 제2 연결 라인(210)을 나타내는데, d의 길이가 짧아지면 필터의 전체 가로 크기가 짧아지고 위상이 틀어지게 된다. 이때, lm의 길이를 짧게 하면, d의 길이로 인해 틀어진 위상을 바로 잡을 수 있다.D denotes a
이때, lm의 폭이 좁아지면 임피던스는 무한대로 접근하는 대역통과 특성으로 변하게 되고, lm폭이 넓어지면 임피던스가 0으로 접근하는 대역저지 특성으로 변하게 됨으로써, 대역통과 필터 및 대역저지 필터로 응용이 가능할 수 있다.In this case, if the width of 1m is narrowed, the impedance changes to the bandpass characteristic approaching infinity, and when the width of 1m is widened, the bandpass characteristic is changed to the impedance approaching zero so that the bandpass filter and the band- .
도 10은 도 9에 도시된 지파 대역통과 필터의 등가회로를 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing an equivalent circuit of the tributary band-pass filter shown in Fig.
도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 지파(slow-wave) 대역통과 필터의 등가회로를 보여주고 있다. 여기서, Lm은 lm에 대한 인덕턴스를 나타낼 수 있다.10, there is shown an equivalent circuit of a slow-wave band-pass filter according to the present invention. Here, Lm can represent the inductance with respect to lm.
도 11a 내지 도 11b는 본 발명에 따른 지파 주기 구조를 보여주는 도면이다.11A to 11B are diagrams showing a trench period structure according to the present invention.
도 11a를 참조하면, 지파 주기 구조를 보여주고 있는데, 주기 구조는 지파 전파를 지원하고, 종래의 지파 주기 구조는 필터와 유사한 대역통과 및 대역저지 특성을 갖는다.Referring to FIG. 11A, a tributary periodic structure is shown. The periodic structure supports tribal propagation, and the conventional tribal periodic structure has bandpass and band blocking characteristics similar to a filter.
도 11b를 참조하면, 본 발명에 따른 지파 주기 구조에서는 이를 고려하여 라인의 각 단위 셀(unit cell)은 오픈 스터브(open stub)를 갖는 전송 라인을 구성한다.Referring to FIG. 11B, in a tributary periodic structure according to the present invention, each unit cell of a line constitutes a transmission line having an open stub.
이때, 부하 임피던스(loading impedance) ZL은 오픈 스터브의 끝에 연결될 수 있는데, 이를 기반으로 입력 임피던스는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.At this time, the load impedance Z L can be connected to the end of the open stub. Based on this, the input impedance can be expressed by the following equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, β는 오픈 스터브의 위상 상수를 나타낸다. tan(βl)가 매우 작은 값을 갖고, ZL이 ∞ 또는 0이면, 입력 임피던스 Zin은 ∞ 또는 0으로 각각 수렴하게 된다.Here,? Represents the phase constant of the open stub. If tan (? 1) has a very small value and Z L is ∞ or 0, the input impedance Z in converges to ∞ or 0, respectively.
이러한 경우, 도 10b의 지파 주기 구조는 대역통과 특성과 대역저지 특성을 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 공진기는 오픈-엔드 타입이고 통과대역 응답이다.In this case, the truosphere periodic structure of Fig. 10B provides bandpass characteristics and band stop characteristics. Therefore, the resonator according to the present invention is an open-end type and a pass band response.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대역통과 필터의 실제 형상을 보여주는 도면이다.12 is a view showing an actual shape of a band-pass filter according to an embodiment of the present invention.
도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터는 2.54의 비유전률(relative dielectric constant)과 0.54mm의 두께를 갖는 유전체 기판(dielectric substrate)에 제작되었다.As shown in FIG. 12, the band-pass filter having a resonator using the MNZ meta-material according to the present invention was fabricated on a dielectric substrate having a relative dielectric constant of 2.54 and a thickness of 0.54 mm.
이렇게 제작된 본 발명에 따른 대역통과 필터의 전체 사이즈는 4.79×5.39 mm2이다.The overall size of the bandpass filter according to the present invention thus fabricated is 4.79 x 5.39 mm < 2 & gt ;.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 BPF의 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 13 is a diagram showing simulation results and measurement results of a BPF according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 대역통과 필터의 시뮬레이션과 측정 결과를 보여주는데, 삽입 손실(insertion loss)과 반사 손실(return loss)의 시뮬레이션 결과는 4%의 대역폭과 10GHz의 중심 주파수에서 각각 1.42와 17.7dB이다.As shown in FIG. 13, simulation and measurement results of a band-pass filter according to the present invention are shown. Simulation results of insertion loss and return loss are shown in FIG. 13 with a bandwidth of 4% and a center frequency of 10 GHz 1.42 and 17.7 dB respectively.
다음의 [표 3]은 제안된 BPF와 종래의 BPF의 사이즈의 비교 결과를 나타낸다.The following Table 3 shows the comparison result between the sizes of the proposed BPF and the conventional BPF.
[표 3][Table 3]
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
110: 기판
120: 제1 공진 패턴부
130: 제2 공진 패턴부
200: 연결 라인
300: 전송 라인110: substrate
120: first resonance pattern portion
130: second resonance pattern portion
200: connection line
300: transmission line
Claims (10)
상기 공진기 각각으로 신호 및 전력을 전달하는 다수의 연결 라인; 및
상기 다수의 연결 라인에 연결되어 상기 신호 및 전력을 전송하는 전송 라인;
을 포함하되, 상기 제1 공진 패턴부는 상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 조절하여 공진 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.A first resonance pattern portion formed by joining a structure of a hairpin resonator having a rectangular shape on a substrate and a structure of an interdigital capacitor at both ends of the hairpin resonator and the first resonance pattern portion constituting the first resonance pattern portion and the interdigital capacitor A plurality of resonators formed of a second resonant pattern portion of a meander line structure disposed in a space formed between the first resonant pattern portion and the second resonant pattern portion;
A plurality of connection lines for transmitting signals and power to each of the resonators; And
A transmission line connected to the plurality of connection lines to transmit the signal and power;
Wherein the resonance frequency of the first resonance pattern portion is adjusted by adjusting a gap width between the hairpin resonator and the interdigital capacitor.
상기 제1 공진 패턴부는,
상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 줄이게 되면 상기 공진 주파수의 값은 낮아지게 되고
상기 헤어핀 공진기와 상기 인터디지털 커패시터 간의 갭의 넓이를 높이게 되면 상기 공진 주파수는 높이지게 되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.The method according to claim 1,
Wherein the first resonance pattern portion comprises:
When the width of the gap between the hairpin resonator and the interdigital capacitor is reduced, the value of the resonance frequency is lowered
And the resonance frequency is increased by increasing the width of the gap between the hairpin resonator and the interdigital capacitor.
상기 공진 주파수는,
공진기의 등가 회로에서 인덕턴스 L0와 커패시턴스 C0에 의해 결정되되, 여기서, 상기 인덕턴스 L0는 상기 헤어핀 공진기의 전체 길이에 상응하는 인덕턴스를 나타내고, 상기 커패시턴스 C0는 상기 인터디지털 커패시터에 상응하는 전체 커패시턴스를 나타내는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.The method according to claim 1,
The resonance frequency may be,
Wherein the inductance L 0 is determined by an inductance L 0 and a capacitance C 0 in an equivalent circuit of a resonator, wherein the inductance L 0 represents an inductance corresponding to an overall length of the hairpin resonator, and the capacitance C 0 is an entire Wherein the band-pass filter exhibits a resonance frequency and a capacitance.
상기 제2 공진 패턴부는,
폭에 따라 대역 차단 특성이 조절되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.The method according to claim 1,
Wherein the second resonance pattern portion comprises:
Wherein the band-stop characteristic is adjusted according to the width of the band-pass filter.
상기 제1 공진 패턴부는
상기 제1 공진 패턴부 내 상기 헤어핀 공진기의 수평 방향의 폭과 수직 방향의 폭에 따라 Q 값이 조절되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.The method according to claim 1,
The first resonance pattern portion
Wherein the Q value is adjusted according to a width in a horizontal direction and a width in a vertical direction of the hairpin resonator in the first resonance pattern portion.
상기 연결 라인은,
상기 다수의 공진기 각각에 연결되는 다수의 제1 연결 라인과 상기 다수의 제1 연결 라인 각각을 모두 연결하는 하나의 제2 연결 라인;
을 포함하되, 상기 제1 연결 라인의 폭에 따라 대역통과 또는 대역저지 특성이 변경되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.The method according to claim 1,
The connection line includes:
A plurality of first connection lines connected to each of the plurality of resonators, and a second connection line connecting both of the plurality of first connection lines;
Wherein the bandpass or band blocking characteristics are changed according to the width of the first connection line.
상기 제1 연결 라인의 폭이 넓어짐에 따라 상기 대역저지 특성으로 변경되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.8. The method of claim 7,
And the band-stop characteristic is changed to the band-stop characteristic as the width of the first connection line becomes wider.
상기 제1 연결 라인의 폭이 좁아짐에 따라 상기 대역통과 특성으로 변경되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.8. The method of claim 7,
Wherein the bandpass characteristic is changed to the bandpass characteristic as the width of the first connection line becomes narrower.
상기 다수의 공진기 각각에 연결되는 다수의 제1 연결 라인의 길이에 따라 위상이 조절되는 것을 특징으로 하는 MNZ 메타 물질을 이용한 공진기를 갖는 대역통과 필터.8. The method of claim 7,
Wherein a phase of the first connection line is adjusted according to a length of a plurality of first connection lines connected to each of the plurality of resonators.
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