KR200302850Y1 - 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 dgs 공진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체 기판의 접지면에 식각된 결함 구조에 전송선로에 추가된 스터브 구조를 갖는 공진기 및 저역통과필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체 기판의 도전성 접지면에 원하는 공진 주파수에서 공진이 일어나도록 설계되어진 식각된 결함 구조를 가지며, 결함 구조의 상단의 전송선로에도 주파수 조정이 용이하며 차단대역에 이중 감쇠극을 가짐으로써 넓은 차단대역 특성을 얻을 수 있도록 감쇠극 주파수의 조정이 가능한 스터브를 추가한 구조를 갖는 공진기 및 저역통과필터에 관한 것이다.

Description

두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기{A added stub DGS resonator with two attenuation poles in stop band}

본 발명은 유전체 기판의 접지면에 식각된 결함 구조에 전송선로에 추가된 스터브 구조를 갖는 공진기 및 저역통과필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체 기판의 도전성 접지면에 원하는 공진 주파수에서 공진이 일어나도록 설계되어진 식각된 결함 구조를 가지며, 결함 구조의 상단의 전송선로에도 주파수 조정이 용이하며 차단대역에 이중 감쇠극을 가짐으로써 넓은 차단대역 특성을 얻을 수 있도록 감쇠극 주파수의 조정이 가능한 스터브를 추가한 구조를 갖는 공진기 및 저역통과필터에 관한 것이다.

최근 유전체 기판의 도전성 접지면에 결함 구조를 식각하고 그 이면에 전송 선로가 형성된 DGS(Defected Ground Structure)회로와 도전성 접지면에 일정한 패턴을 주기적으로 식각하거나 일정한 모양의 도전성 패턴이나 유전체를 주기적으로 배열을 시키는 PBG(Photonic Band-Gap) 구조를 마이크로파 대역과 밀리미터파 대역에서 응용하기 위하여 국내외에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한 통신 부품 중에서 초고주파 분야에 고 유전율 재료의 개발에 따라 점점 소형화 및 경량화로 지향함에 따라 유전체 기판 위에 입힌 마이크로스트립 선로로 된 박막형의 공진기가 각종 마이크로파 필터에 다양하게 적용되고 있다.

DGS 회로는 다양한 형태로 제작될 수 있는데 가장 많이 사용되는 아령형 DGS는 상하단에 배치된 정사각형의 공진부의 크기로 공진주파수를 조정할 수 있도록 되어 있으나, 가로와 세로의 크기를 동일하게 변화시키기 때문에 미세조정이 불가능하고 저역통과 특성을 얻기 위해서는 DGS 셀을 주기적으로 배열시켜서 크기가 커져야 하는 단점이 있다.(참고, Chul-Soo Kim; Jun-Seok Park; Dal Ahn; Jae-Bong Lim, "A novel 1-D periodic defected ground structure for planar circuits", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 10, No. 4 , April 2000, pp.131-133)

또한 DGS셀을 공진기 회로로 활용하여 저역통과 필터를 설계할 경우에도 단일 감쇠극만 존재하므로 넓은 저지대역의 특성을 얻기에는 불가능한 단점이 있다.(참고, Ahn, D., Park, J.-S., Kim, C.-S., Kim, J., Qian, Y., Itoh, T.,"A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.49, No. 1 , Jan. 2001, pp.86-93.)

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 그 목적은 기존의 DGS 셀보다 공진 특성이 우수하며 공진기의 Quality Factor와 주파수 조정을 편리하게 조정할 수 있고, 전력 손실이 적은 구조로 설계함으로써, 공진기 및 필터, 임피던스 정합 회로 등과 같은 고주파 회로에 다양하게 응용할 수 있는 새로운 형태의 DGS 셀 공진기 및 저역통과 필터를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 사시도.

도 2는 본 발명을 설명하기 위한 일반적인 아령형 DGS 셀의 구조도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 I자형 DGS 셀의 평면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 평면도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타나도록 스터브의 길이를 조절했을 때의 DGS 셀을 나타낸 평면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 H자 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 사시도.

도 7은 도 6에 나타낸 실시예에서 H자 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타나도록 스터브의 길이와 슬릿의 길이를 조절했을 때의 DGS 셀을 나타낸 평면도.

도 8은 도 3, 도 4, 도 5, 그리고 도 7의 I자형 슬롯의 중심 슬릿 길이를 변화시켰을 때의 공진 주파수 변화를 보여주는 모의실험 특성 그래프.

도 9는 도 4, 도 5, 도 7의 스터브 혹은 H자형 스터브의 길이를 변화 시켰을 때의 저역통과 특성 변화를 보여주는 모의실험 특성 그래프.

도 10은 도 3, 도 4, 도 5, 도 7의 I자형 슬롯의 중심 슬릿의 폭을 변화시켰을 때의 공진 주파수 변화를 보여주는 모의실험 특성 그래프.

도 11은 도 5와 도 7의 스터브 혹은 H자 스터브의 양 끝단과 하단의 I자형 슬롯의 덮여지는 길이에 따른 이중 감쇠극이 나타나는 특성을 보여주는 모의실험 특성 그래프.

도 12는 도 1, 도 4, 도 5, 도 6, 그리고 도 7의 구조의 등가 회로를 나타낸 회로도.

도 13은 도 6과 도 7의 H자 스터브 DGS 셀의 스터브 H자의 슬릿의 깊이 변화에 따른 반사손실 특성 변화를 보여주는 모의실험 특성 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

11 : 유전체 기판12 : 도체 구형 스터브

12a: 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타날 때의 도체 구형 스터브

13 : 도체 H자 스터브

21 : 도체 접지판22 : 아령형 DGS셀

23 : 50옴 마이크로스트립 전송선로

24 : 아령형 DGS셀 공진부의 세로 길이

25 : 아령형 DGS셀 공진부의 가로 길이

26 : 아령형 DGS셀의 연결 슬롯의 폭

31 : I자형 DGS셀

32 : I자형 DGS셀의 연결 슬롯의 길이

33 : I자형 DGS셀의 공진부의 세로 길이

34 : I자형 DGS셀의 공진부의 가로 길이

35 : I자형 DGS셀의 연결 슬롯의 폭

41 : 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 도체 구형 스터브의 길이

41a : 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타날때의 도체 구형 스터브의 길이

61 : H자 스터브의 슬릿의 깊이

62 : H자 스터브의 슬릿의 폭

91 : 저지대역의 첫 번째 감쇠극

92 : 저지대역의 두 번째 감쇠극

120 : 저지대역의 첫 번째 감쇠극을 나타내는 R1, L1, C1 병렬공진회로

121 : 두 개의 감쇠극을 갖는 DGS 셀의 등가회로

122 : 상층의 구형 스터브 혹은 상층의 H자 스터브에 의해 발생하는 커패시턴스 성분을 나타내는 병렬 커패시터

123 : 저지대역의 두 번째 감쇠극을 나타내는 R1, L1, C1 병렬공진회로

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명을 설명하기 위한 일반적인 아령형 DGS 셀의 구조도로서, 상층의 50옴 마이크로스트립 전송선로(23)이 형성되고 그 아래에 아령형 DGS셀(22)이 접지면에 식각이 되어 형성된다. DGS셀의 특징은 전파지연 특성에 의해 기존의 전송선로보다 소형화가 가능하고 특정 대역을 저지하는 특성을 가지고 있으며, 상기 DGS셀의 동작원리는 이미 출원된 국내 특허출원 10-2000-0038068호, 10-2001-0068681호와 T.Itoh 등의 논문(Y.Qian, F.G.Yang, and T. Itoh, "Characteristics of microstrip lines on a unipolar compact PBG ground plane", APMC'98 Dig., pp.589-592, Dec. 1998., J.I.Park, C.S. Lim, J.S. Park, Y. Qian, D. Ahn, and T. Itoh, "Modeling of Photonic bandgap and its application for the low-pass filter design." APMC'99, Dig., Vol.2, pp.331-334, Nov.1999)에 잘 나타나 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 사시도로써 상기 유전체 기판(11)과 상기 유전체 기판(11)의 일면에 피막된 도전체 접지면(21) 내부의 양단부에 전계 밀집 부분을 형성하는 갭을 포함하는 I자형 DGS셀(31)이 식각된 형태를 갖는다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 I자형 DGS 셀(31)의 평면도를 나타내며, 상기 유전체 기판(11)의 접지면(21)에 형성된 갭의 양측 끝단에 I자형으로 식각된 공진부(31)는 중앙의 얇은 연결 슬롯의 길이(32)와 폭(35)을 조절하여 원하는 주파수에서 공진이 일어나도록 할 수 있다. 즉 전체 I자형 DGS셀(31)의 길이(32+33+33)을 고정하고 연결 슬롯의 길이(32)를 길게 하면 I자형의 상하단의 공진부의 길이(33)이 짧아지게 되는데 이를 모의실험하게 되면 도 7과 같은 반사손실 (S11)의 그래프를 얻을 수 있다. I자형 DGS셀(31)은 각 부분의 크기에 따라서 공진이 일어나게 되며, 이는 R, L, C로 이루어진 병렬 공진기(120)로 등가화할 수 있다. 연결 슬롯의 길이(32)를 증가하게 되면 커패시턴스가 감소하여 Q 펙터값이 커져서 첨예해지며 공진 주파수를 아주 미세하게 이동할 수 있다.

또한 연결 슬롯의 폭(35)을 좁게 할수록 Q 펙터값이 커져서 동일한 효과를 얻을 수 있는데 이는 연결 슬롯의 길이(32)를 변화하는 것보다 그 변화폭이 크므로 그 활용도를 높일 수 있다. 이를 모의실험하게 되면 도 10과 같은 반사손실 (S11)의 그래프를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀(31)의 평면도를 나타낸다. 도 3에서 고안된 I자형 DGS셀(31)의 상층 전송선로(23) 부분에 I자형의 폭(34)과 동일한 폭의 스터브를 전송선로(23)를 중심으로 형성시키며, 스터브의 길이(41)는 전송선로(23)의 폭에서 I자형 DGS셀(31)의 전체 길이(32+33+33)까지 변화시킬 수 있다. 스터브 추가형 I자형 DGS셀(12,31)은 각 부분의 크기에 따라서 공진이 일어나게 되며, 이는 R, L, C로 이루어진 직렬로 연결된 병렬 공진기(120)와 병렬로 연결된 커패시터(122) 회로로 등가화할 수 있으며 저역통과 필터의 특성을 나타낸다. 스터브의 길이(41)을 증가함으로서 병렬 커패시턴스(122)가 증가하며 이에 따라 차단대역이 넓어지게 되며 그 투과손실(S21)의 주파수 특성은 도 9와 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타나도록 스터브의 길이(41a)를 조절했을 때의 DGS 셀(12,31)을 나타낸 평면도를 나타낸다.

상기 구형 스터브의 길이(41)가 길어질수록 저지대역에서의 감쇠가 커지다가 상층 스터브(12)의 끝단과 하층 I자형 DGS셀(31)의 상하단 공진부가 겹쳐지면 서로의 결합에 의해 감쇠극이 첨예해지며 도 9에서 볼 수 있듯이 2개의 감쇠극(91,92)이 나타난다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 H자 스터브(13) 추가형 I자형 DGS 셀(31)의 사시도로써 상기 구형 스터브(12)의 양 끝단에 접지면(21)의 I자형 DGS셀(31)의 중앙 연결 슬롯의 폭(35)과 동일한 폭(62)으로 슬릿을 적절한 깊이(61)만큼 형성한 형태이다.

도 7은 도 6에 나타낸 실시예에서 H자 스터브 추가형 I자형 DGS 셀의 이중 감쇠극이 나타나도록 상기 구형스터브(12)의 길이(41a)와 동일하게 형성된 H자 스터브(13)의 길이와 슬릿의 깊이(61)를 조절했을 때의 DGS 셀을 나타낸 평면도로써, 이러한 슬릿의 형성 목적은 하층의 접지면(21)의 I자형 DGS셀(31)의 중앙 연결 슬롯과 상층의 구형 스터브(12)에 의해 발생하는 반사손실을 줄이기 위함이다. 그 특성에 대한 그래프는 도 13에서와 같으며, 깊이가 한계지점까지만 깊어질수록 S11의 특성이 개선됨을 알 수 있으며 그 한계지점은 실험에 의하여 결정할 수 있다.

도 11은 도 5와 도 7의 스터브 혹은 H자 스터브의 양 끝단과 하단의 I자형 슬롯의 덮여지는 길이에 따른 이중 감쇠극(91,92)이 나타나는 특성을 보여주는 모의실험 특성 그래프로써 구형 스터브(12)와 마찬가지로 상층 H자형 스터브(13)의 끝단과 하층 I자형 DGS셀(31)의 상하단의 직사각형 공진부가 일부 겹쳐지면 서로의 결합에 의해 감쇠극이 첨예해지며 2개의 감쇠극(91,92)이 나타난다. 하지만 통과대역의 반사손실(S11) 특성이 나빠지는 특성을 보인다.

도 12는 도 1, 도 4, 도 5, 도 6, 그리고 도 7의 구조의 등가 회로를 나타낸 회로도로써 DGS셀(31, 12, 13)의 전체 크기에 따른 공진 주파수의 감쇠극(91) 부분을 나타내는 R1, L1, C1 병렬공진회로(120)와 I자형 DGS셀의 상하단 공진부(31)와 상층 스터브(12, 13)의 겹쳐지는 부분에 의해 발생하는 공진 주파수의 감쇠극(92) 부분을 나타내는 R2, L2, C2 병렬공진회로(123)와 상층의 구형 스터브(12) 혹은 상층의 H자 스터브(13)에 의해 발생하는 커패시턴스 성분을 나타내는 병렬 커패시터(113)의 직렬 연결된 공진회로(121)로 등가화 된다.

도 13은 도 6과 도 7의 H자 스터브 DGS 셀의 스터브 H자(13)의 슬릿의 깊이(61) 변화에 따른 반사손실 특성 변화를 보여주는 모의실험 특성 그래프로써 도 11에서 2개의 감쇠극(91,92)가 생기도록 설계하여도 통과대역의 반사손실(S11) 특성이 나빠지는 것을 보상하기 위하여 슬릿의 깊이(61)의 변화에 따라 통과대역의 반사손실(S11)이 개선되는 것을 보여준다. 따라서 슬릿의 깊이(61)를 조절함으로써 좋은 저역통과 특성을 얻을 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 유전체 기판의 접지면에 형성된 고안된 DGS 셀과 이면의 전송선로에 첨가된 스터브와 H자 스터브를 결합시킴으로써, 식각된 DGS셀의 길이와 폭을 조절하여 원하는 공진 주파수에서 공진이 일어나도록 설계할 수 있으며, 결함 구조의 상단의 전송선로에는 구형 스터브 혹은 H자 스터브를 추가함으로서 주파수 조정이 용이하며 차단대역에 이중 감쇠극을 가질 수 있게 되어 넓은 차단대역 특성을 얻을 수 있고, 2개의 감쇠극 주파수의 위치를 조정하여 차단 대역의 범위를 자유자재로 이동하여 설계할 수 있는 특징이 있다.

본 발명의 DGS 셀을 이용하여 저역통과 필터로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 설계 방법에 따라서 고역통과 필터, 대역통과 필터에 응용할 수 있으며, 공진기 특성을 사용하여 전력 분배기 및 합성기, 안테나의 복사 패턴 개선, 하모닉 제거용 필터에 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (11)

1. 유전성 물질로 이루어진 유전체 기판과;

   상기 유전체 기판의 일면에 피막된 도전체로써, 내부의 양단부에 전계 밀집 부분을 형성하는 갭을 포함하는 I자 형의 식각부를 갖는 접지면과;

   상기 유전체 기판의 접지면 반대면의 갭 위치에 피막되어 신호를 전송하는 전송선로와;

   상기 유전체 기판의 전송선로에 하부의 식각부를 덮는 구형 스터브로 구성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
2. 유전성 물질로 이루어진 유전체 기판과;

   상기 유전체 기판의 일면에 피막된 도전체로써, 내부의 양단부에 전계 밀집 부분을 형성하는 갭을 포함하는 I자 형의 식각부를 갖는 접지면과;

   상기 유전체 기판의 접지면 반대면의 갭 위치에 피막되어 신호를 전송하는 전송선로와;

   상기 유전체 기판의 전송선로에 하부의 식각부를 덮는 H자형 스터브로 구성되는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
3. 제 1항과 제 2항에 있어서, 상기 I자 형의 식각부는 상기 전송선로의 수직 방향으로 배치되며, I자형의 전체 길이에 의해 첫 번째 감쇠극을 갖는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
4. 제 1항과 제 2항에 있어서, 상기 I자 형의 식각부는 상기 전송선로의 수직 방향으로 배치되며, I자형의 상하단의 가로 슬롯만의 길이에 의해 두 번째 감쇠극을 갖는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
5. 제 1항과 제 2항에 있어서, 상기 I자 형의 식각부는 상기 전송선로의 수직 방향으로 배치되며, I자형의 상하단의 가로 슬롯의 가로 길이와 세로 길이에 따라 원하는 주파수에서 공진이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
6. 제 1항과 제 2항에 있어서, 상기 I자 형의 식각부는 상기 전송선로의 수직 방향으로 배치되며, I자형의 중앙 슬롯의 폭과 길이에 따라 원하는 주파수에서 공진이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전송선로에 추가되는 구형 스터브의 폭과 길이에 따라 원하는 주파수에서 공진이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
8. 제 7항에 있어서, 상기 전송선로에 추가되는 구형 스터브의 폭을 하단의 I자 슬롯의 폭과 동일하게 고정하고 하층 I자 슬롯의 가로 슬롯부분 중 하부 일부와 상층 구형 스터브의 상단 일부가 겹쳐지도록 구형 스터브의 길이를 조절하여 원하는 주파수에서 감쇠극이 발생하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
9. 제 2항에 있어서, 상기 전송선로에 추가되는 H자형 스터브의 폭과 길이에 따라 원하는 주파수에서 공진이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
10. 제 9항에 있어서, 상기 전송선로에 추가되는 H자형 스터브의 폭을 하단의 I자 슬롯의 폭과 동일하게 고정하고 하층 I자 슬롯의 가로 슬롯부분 중 하부 일부와 상층 구형 스터브의 상단 일부가 겹쳐지도록 구형 스터브의 길이를 조절하여 원하는 주파수에서 감쇠극이 발생하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.
11. 제 2항에 있어서, 상기 전송선로에 추가되는 H자형 스터브의 상단과 슬릿의 폭과 깊이에 따라 전송선로의 반사손실을 개선시킬 수 있게 조정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 차단 대역 감쇠극을 갖는 스터브 추가형 DGS 공진기.