KR20100022873A - 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터 - Google Patents

두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터 Download PDF

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KR20100022873A
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황희용
강성준
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 기존의 단일 링 공진기의 발룬-대역 통과 필터에 또 하나의 링 공진기를 결합하여 평형 출력 포트간 대칭적인 출력 특성과 샤프한 스커트 특성을 가지는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터에 관한 것이다.
본 발명의 발룬-대역 통과 필터는, 입력단을 통하여 불평형 입력신호가 입력되는 제1 링 공진기; 상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 제1 및 제2 출력단을 구비하는 제2 링 공진기; 및 상기 제1 링 공진기 및 제2 링 공진기를 연결하는 연결전송선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
링 공진기, 대역통과필터, 발룬, 대칭 특성, 스커트

Description

두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터{BALUN-BAND PASS FILTER USING TWO RING RESONATORS}
본 발명은 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 단일 링 공진기의 발룬-대역 통과 필터에 또 하나의 링 공진기를 결합하여 평형 출력 포트간 동일한 노치 특성을 나타내며 대칭적인 출력 특성과 샤프한 스커트 특성을 가지는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터에 관한 것이다.
최근 거의 모든 전자기기에 무선 통신 기술이 사용되고 있고, 기존의 유선 통신 또한 무선 통신으로 대체되는 추세이다. 이에 따라 무선 랜, 블루투스, WiBro, DMB, GPS, UWB(Ultra Wide Band) 등의 무선 통신 기술이 개발되고 있고, 이런 무선 통신 기술이 발달함에 따라 통신 모듈의 성능뿐만 아니라 소형화 및 집적화에 대한 중요성이 대두되고 있다.
현재 반도체 공정 기반의 집적 기술로 인해 능동 소자의 집적 기술은 이미 보편화된 기술이 되었지만, 초고주파 신호를 처리하는 안테나, 여파기, 발룬, 커플러, 믹서 등의 수동 소자에 대한 집적 기술은 아직 많은 연구가 필요하고, 수동 소 자의 집적도 및 성능의 차이가 곧바로 전체 시스템의 차이를 결정짓는 중요 요소가 되고 있다.
최근에 수동 소자들은 LTCC 기술이나 임베디드(Embeded)- PCB 기술을 이용하여 집적시킴으로써 전체 시스템의 소형화를 기대할 수 있지만, 이러한 기술들은 설계와 제작상의 많은 어려움을 갖고 있다.
이 수동 소자들 중에서 발룬(Balun)은 초고주파 회로 상에서 믹서나 증폭기같이 평형 신호를 필요로 하는 소자의 앞단에 설치되어 안테나로부터 입력되는 불평형 신호를 특정 주파수 영역에서 두 출력단의 크기가 같고 180° 위상차를 가지는 한쌍의 평형 신호를 발생하는데 사용되며, 보통 안테나나 저잡음 증폭기(LNA), 믹서 등과 연결된다.
그리고 초고주파 회로에서 안테나를 통해 들어온 신호는 여파기와 발룬으로 연결되어 LNA를 포함한 MIC(Microwave Integrated Circuit) 또는 MIC와 주파수 믹서 사이를 통과하는 것이 일반적이다. 따라서 이와 같이 흔히 직결되어 같이 쓰이는 여파기와 발룬의 합성은 전체적인 모듈 크기의 소형화를 가져올 수 있으므로, 최근 발룬과 대역 통과 필터를 단일 구조로 설계한 부품으로서 이중모드 링-공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터(Balun-BPF)가 본 출원인에 의해 특허 제831076호로 제안되었고, 3단자 링-공진기의 해석을 통하여 링-구조 기반의 발룬-대역 통과 필터의 설계식이 제안되었다.
하지만 상기 특허 제831076호로 제안된 기존의 발룬-대역 통과 필터는 2단 대역 통과 특성을 나타내는 것으로 두 출력 포트간 통과대역 밖에서 일측 포트에서 만 노치(notch)가 발생하여 비대칭적인 출력 특성을 보이기 때문에 엄밀한 의미에서 발룬의 특성을 만족한다고 할 수 없고 통과대역 밖의 스커트(shirt) 특성이 샤프하지 못하다는 문제점이 있어 왔다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출 된 것으로, 그 목적은 단일 링 공진기의 발룬-대역 통과 필터에 또 하나의 링 공진기를 결합하여 평형 출력 포트간 동일한 노치 특성을 나타내며 대칭적인 출력 특성을 가지는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 4단 대역 통과 필터 특성을 나타내며 샤프한 스커트 특성을 보이는 발룬-대역 통과 필터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 두개의 링 공진기 사이에 크로스 커플링 효과를 고려하여 인터디지털(inter digital)형 인버터 구조를 채용함에 의해 두개의 링 공진기 사이를 근접시켜 콤팩트한 사이즈로 구현함과 동시에 향상된 노치 특성을 나타내는 발룬-대역 통과 필터를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 일 관점에 따른 본 발명의 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터는, 입력단을 통하여 불평형 입력신호가 입력되는 제1 링 공진기; 상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 제1 및 제2 출력단을 구비하는 제2 링 공진기; 및 상기 제1 링 공진기 및 제2 링 공진기를 연결하는 연결전송선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 링 공진기는, 외부로부터 불평형 입력 신호가 인가되는 입력단; 일측이 상기 입력단과 연결되며 타측이 연결전송선로와 연결되고 λ/4 길이를 가지는 제1-1 선로; 및 일측이 상기 입력단 및 상기 제1-1 선로와 연결되며 타측이 제1-1 선로 및 연결전송선로와 연결되고 3λ/4 길이를 가지며 상기 제1-1 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하는 제1-2 선로를 포함한다.
이 경우, 상기 제1 링 공진기는, 상기 제1-1 선로의 어드미턴스와 상기 제1-2 선로의 어드미턴스 사이의 차가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 제1 링 공진기의 인버터 값이 증가한다.
또한, 상기 제2 링 공진기는, 상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 제1 및 제2 출력단; 양단부가 각각 상기 연결전송선로 및 제1 출력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-1 선로; 양단부가 각각 상기 연결전송선로 및 제2 출력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-2 선로; 및 상기 제1 출력단 및 제2 출력단 사이를 연결하며, 상기 제2-1 및 제2-2 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하도록 λ/2 길이를 가지는 제2-3 선로를 포함할 수 있다.
상기 제2 링 공진기는, 상기 제2-1 선로의 어드미턴스와 상기 제2-2 선로의 어드미턴스 사이의 차가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 제2 링 공진기의 인버터의 값이 증가한다.
이 경우, 상기 입력단, 상기 제1 출력단 및 제2 출력단은, 각각 전기적으로 λ/4 길이의 전송선로로 구성되며, 상기 전송선로의 어드미턴스 크기가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 입력단, 상기 제1 출력단 및 제2 출력단이 형성하는 인버터 값이 증가한다.
또한, 등가회로에서 상기 연결전송선로에 의해 형성되는 인버터 값이 증가할수록 상기 제1 링 공진기 및 상기 제2 링 공진기의 공진 주파수의 간격은 멀어진다.
상기 연결전송선로는, 전기적으로 λ/4 길이를 가지며 인터디지털 커플링 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터는 외부로부터 불평형 입력신호가 입력되는 입력단; 일측이 상기 입력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제1-1 선로와 일측이 상기 입력단 및 상기 제1-1 선로와 연결되며 타측이 제1-1 선로와 연결되고 3λ/4 길이를 가지며 상기 제1-1 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하는 제1-2 선로를 포함하는 제1 링 공진기; 일단이 상기 제1 링 공진기의 제1-1 선로와 제1-2 선로의 연결부분에 연결되는 연결전송선로; 일단이 상기 연결전송선로와 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-1 선로와, 일단이 상기 연결전송선로와 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-2 선로와, 상기 제2-1 선로와 제2-2 선로 사이를 연결하며, 상기 제2-1 및 제2-2 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하도록 λ/2 길이를 가지는 제2-3 선로를 포함하는 제2 링 공진기; 상기 제2-1 선로와 제2-3 선로 사이의 연결부분에 일단이 연결되는 제1 출력단; 및 상기 제2-2 선로와 제2-3 선로 사이의 연결부분에 일단이 연결되는 제2 출력단을 포함하며, 상기 제1 및 제2 출력단은 각각 상호간에 180도 위상차를 나타 내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 발룬-대역 통과 필터는 일측면에 접지면이 형성된 유전체 기판 위에 형성되며; 상기 연결전송선로는 인터디지털 커플링(interdigital coupling) 구조의 인터디지털 인버터로 형성될 수 있다.
상기 제1 출력단 및 제2 출력단은 동일한 노치 특성을 나타내며 대칭적인 출력 특성을 갖는다.
본 발명의 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터에 의하면, 평형 출력 포트 간 대칭적인 특성을 나타내며, 4단 밴드 패스 필터의 특성을 나타내며, 아울러 샤프(Sharp)한 스커트(Skirt) 특성을 보인다.
또한, λ/4 전송 선로 인버터를 이용하여 연결 위치를 정확하게 정해줄 뿐만 아니라, 중간단 인버터로는 인터디지털 커플링 구조를 이용함으로써 상기 중간단 인버터가 작은 값을 가짐으로 인하여 발생하는 제작상의 문제점을 해결하였다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
1. 상호 결합량을 이용한 대역 통과 필터(BPF) 설계
일반적으로 저역통과 필터의 기본형들로부터 대역 통과 또는 대역 저지 필터로 변환될 때, 직렬 공진기와 병렬 공진기로 구성되어진다. 하지만, 특별한 종류의 전송선로에 대해 필터를 구현할 때에는, 오직 직렬 소자만을 또는 병렬 소자만을 사용하고자 하는 경우가 있다. 이 경우, 임피던스(K)와 어드미턴스(J) 인버터를 사용하여 대역 통과 또는 대역 저지 필터를 구현할 수 있다. 인버터를 사용한 필터의 특성을 집중소자로 구현한 필터와 동일하게 하기 위해서는, 입력단에서 바라본 반사 계수가 동일해야 한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 공진기 간의 상호 결합을 이용한 대역 통과 필터를 설계 원리를 설명하기 위한 개념적 블록도이고, 도 2는 도 1에서 결합 계수에 따른 대역 통과 필터 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
일반적으로, 도 1에 도시한 바와 같이 공진 주파수가 동일한 공진기(10,30) 사이에 인버터(20)나 결합 소자를 가하면 주파수는 공진 주파수를 기준으로 넓어진다. 즉, 도 2와 같이 결합 계수가 커질수록 주파수 간격은 넓어진다.
따라서, 동일한 특성을 갖는 대역저지 공진기 간의 상호 결합을 이용하여 2단 대역 통과 필터(BPF)를 설계할 수 있고, 또한, 상호 결합량을 변화시켜 대역 통과 대역폭을 조절할 수 있다.
2. 제1 실시예의 발룬-대역 통과 필터(Balun-BPF)
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터의 개략적인 구조도이다.
도 3과 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터(Balun-BPF) 는 각각 전기적으로 1파장(λ) 길이로 이루어진 마이크로스트립 선로 구조의 간단한 링 공진기(100,200)를 두 개 이용하여 발룬 및 대역 통과 필터의 특성을 동시에 충족시키도록 구현된다.
먼저, 제1 링 공진기(100)는 불평형 입력 신호(P1)가 입력되는 입력단(1)을 구비하며, 상기 제1 링 공진기(100)에 연결된 제2 링 공진기(200)는 상호간에 180도 위상차를 나타내는 두 개의 평형 제1 및 제2 출력 신호(P2,P3)를 발생하는 제1 및 제2 출력단(2, 3)을 구비하도록 설계된다.
또한, 상기 입력단(1) 및 제1 및 제2 출력단(2, 3)은 각각 전기적으로 λ/4 길이의 전송선로로 이루어지며, 제1 링 공진기(100)와 제2 링 공진기(200) 사이에도 전기적으로 λ/4 길이의 연결전송선로(6)를 사용하여 연결되어 있다. 상기 입력단(1), 제1 및 제2 출력단(2, 3) 및 연결전송선로(6)는 도 4에 도시된 등가회로와 같이 각각 초단 인버터(J01), 종단 인버터(J02) 및 중간단 인버터(J23)를 형성하며, 선로의 어드미턴스(Admittance) 크기가 커짐에 따라 인버터의 값이 커진다.
상기 제1 링 공진기(100)와 제2 링 공진기(200) 사이에 연결되는 연결전송선로(6)에 의해 구현되는 중간단 인버터(J23)는 상기 제1 링 공진기(100) 및 상기 제2 링 공진기(200)의 공진 주파수 간격을 조정한다. 즉, 연결전송선로(6)에 의해 구현되는 중간단 인버터(J23)의 인버터 값이 클수록 상기 제1 링 공진기(100) 및 상기 제2 링 공진기(200)의 공진 주파수의 간격은 멀어지게 된다.
상기 입력단(1)을 통해 입력 신호(P1)가 입력되는 상기 제1 링 공진기(100) 는 링 형상을 이루는 제1-1 선로(4) 및 제1-2 선로(5)에 입력단(1)이 연결된 구조를 이루고 있다.
상기 제1-1 선로(4)와 제1-2 선로(5)를 연결하는 일단에는 상기 입력단(1)이 연결되어 있으며, 타단은 연결전송선로(6)의 일단과 연결되어 있다.
또한, 상기 제1-1 선로(4) 및 상기 제1-2 선로(5)는 각각 λ/4 및 3λ/4 길이의 전송선로로 구성되며, 상기 제1-1 선로(4)의 어드미턴스(Y1)와 상기 제1-2 선로(5)의 어드미턴스(Y2) 사이의 차이가 커질수록 등가회로에서 상기 제1 링 공진기(100)의 인버터 값(J12)이 커진다.
한편, 상기 연결전송선로(6)의 타단과 연결되는 제2 링 공진기(200)는 링 형상을 이루는 제2-1 선로(7), 제2-2 선로(8), 및 제2-3 선로(9)에 제1 출력단(2)과 제2 출력단(3)이 연결된 구조를 이루고 있다.
상기 제2-1 선로(7), 상기 제2-2 선로(8), 및 상기 제2-3 선로(9)는 각각 λ/4, λ/4, 및 λ/2 길이의 전송 선로로 구성되며, 상기 제2-1 선로(7)의 어드미턴스(Y1′)와 상기 제2-2 선로(8)의 어드미턴스(Y2′) 사이의 차가 커질수록 등가회로에서 상기 제2 링 공진기(200)의 인버터 값(J34)이 커진다.
또한, 상기 제2 링 공진기(200)에서는 제1 출력단(2)과 제2 출력단(3) 사이에 배치된 제2-3 선로(9)의 길이가 λ/2로 설정되고, 상기 제2-1 선로(7)와 상기 제2-2 선로(8) 사이의 어드미턴스 차이에 의하여 제1 출력단(2)과 제2 출력단(3)으 로부터 출력되는 제1 및 제2 출력 신호(P2,P3)가 180도의 위상 차이를 갖게 된다.
3. 제1 실시예의 등가회로
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 발룬-대역 통과 필터의 등가회로로서, 어드미턴스 슬로프 파라미터(admittance slope parameter)(bi, bi′)와 인버터 값(Jij)을 사용하여 나타낸 것이다.
도 4와 같이, 상기 제1 링 공진기(100) 및 상기 제2 링 공진기(200)는 각각 π형 등가회로로 표현하면, 한쌍의 공진기(B1,B2;B1′,B2′) 사이에 인버터(J12,J34)가 삽입되어 있는 구조로 표현된다. 또한, 발룬-대역 통과 필터 전체의 등가회로를 구하기 위하여 상기 제1 링 공진기(100) 및 상기 제2 링 공진기(200)에 λ/4 전송선로 인버터로서 초단 인버터(J01), 종단 인버터(J02) 및 중간단 인버터(J23)를 연결하면, 4단의 대역통과 특성을 갖는 발룬-대역 통과 필터의 등가회로가 얻어진다.
도 4의 등가회로에서 링 공진기(100,200)의 서셉턴스에 해당하는 B1,B2를 정의식에 대입해 줌에 따라 링 공진기의 어드미턴스 슬로프 파라미터(admittance slope parameter)를 얻을 수 있게 되고, 어드미턴스 슬로프 파라미터(admittance slope parameter)(bi, bi′)와 인버터 값(Jij)을 정리하면 다음 수학식 1 내지 수학식 5와 같다.
Figure 112008059394732-PAT00001
Figure 112008059394732-PAT00002
여기서, Yin=Y03 2/Y0이다.
Figure 112008059394732-PAT00003
Figure 112008059394732-PAT00004
Figure 112008059394732-PAT00005
수학식 1 내지 5에서 b1 및 b2, b1' 및 b2'는 어드미턴스 슬로프 파라미터(Admittance slope parameter)이고, Y0는 초단 인버터의 어드미턴스 값이다.
J12는 제1 링 공진기(100)의 인버터 값이고, Y1은 제1 링 공진기(100)의 제1-1 선로(4)의 어드미턴스 값이며, Y2는 제1 링 공진기(100)의 제1-2 선로(5)의 어드미턴스 값을 나타낸다.
J34는 제2 링 공진기(200)의 인버터 값이고, Y1'은 제2 링 공진기(200)의 제2-1 선로(7)의 어드미턴스 값이며, Y2'는 제2 링 공진기(200)의 제2-2 선로(8)의 어드미턴스 값을 나타낸다.
J01은 제1 링 공진기(100)의 초단 인버터 값이고, J02는 제2 링 공진기(200)의 종단 인버터 값이다.
또한,
Figure 112008059394732-PAT00006
= fractional bandwidth (대역폭/중심 주파수), g = 리플(ripple) 값에 따라 변화하는 값이다.
상기한 수학식 1 내지 5의 설계식을 이용하여 중심주파수(f0)=2.45 GHz, 대역폭(BW)=120 MHz, 리플(ripple)=0.03 dB의 특성을 갖는 발룬-대역 통과 필터(Balun-BPF)를 설계하면, 하기 표 1과 같이 얻어진다.
J 01 J 12 J 23 J 34 J 02, J 02
0.0136 0.0076 0.0058 0.0076 0.0096
Y 1 Y 2 Y 1 ' Y 2 '
0.0500 0.0576 0.0500 0.0576
상기 표 1의 설계값을 사용하여 ADSTM 프로그램에 의해 시뮬레이션한 결과 도 5에 도시된 바와 같이 S-파라미터(즉, 주파수 응답 특성)가 구하여졌다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 주파수 특성을 도시한 그래프, 도 6은 제1 출력단과 제2 출력단으로부터 출력되는 제1 및 제2 출력 신호의 크기와 위상차를 나타낸 그래프로서, 시뮬레이션한 결과는 설계치와 거의 일치하였다.
도 5를 참고하면, 발룬-대역 통과 필터의 S-파라미터(즉, 주파수 응답 특성) 특성은 입력단(P1)으로의 반사계수(S11)가 4단 대역 통과 필터(BPF)의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 입력단(P1)으로부터 제1 출력단(P2)과 제2 출력단(P3)에 대한 전송특성을 나타내는 S21과 S32를 살펴보면 종래의 단일 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터에서는 통과대역 밖에서 일측 포트에서만 노치(notch)가 발생하여 제1 출력단(P2)과 제2 출력단(P3) 사이에 비대칭적인 출력 특성을 보이고 있으나, 본 발명에서는 양측 포트에서 모두 노치(notch)가 발생하여 제1 출력단(P2)과 제2 출력단(P3)으로부터 얻어지는 S21과 S32는 근접되어 있어 대칭적인 출력 특성을 보이고 있다.
도 6의 그래프를 참고하면, 상측의 그래프는 위상차(phase difference)를 나타내는 것이고, 하측의 그래프는 크기차(magnitude difference)를 나타낸다. 도 6의 그래프에서 상측의 그래프는 2.45GHz에서 180° 위상차를 갖고 있는 것을 알 수 있고, 하측의 그래프는 2.45GHz에서 0 dB의 전력분배 차를 이루어지고 있는 것을 알 수 있다.
상기한 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 특성은 2평형 출력단이 180° 위상차를 갖고 전력분배차가 0 dB로서 동일한 노치(notch) 특성을 가지므로 대칭적인 출력 특성을 갖고 있고, 샤프한 스커트(skirt) 특성을 나타내고 있다. 그 결과 본 발명은 완벽한 발룬-대역 통과 필터의 특성을 나타내고 있다.
4. 제2 실시예
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터의 개략적인 구조도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터는 우선, 제1 실시예에서 제1 링 공진기(100) 및 제2 링 공진기(200) 사이를 연결하는 연결전송선로(6)를 인터디지털 커플링(Interdigital coupling) 구조의 인터디지털 인버터(40)로 대체하였다. 도 7에서 제1 실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대하여는 설명을 생략한다.
상기 연결전송선로(6)는 λ/4 길이의 전송선로로 형성할 때, 이에 의해 등가회로상에 형성되는 중간단 인버터(J23)의 값이 표 1과 같이 작은 값을 가지고 있다. 그런데, J 인버터 값이 작을수록 λ/4 전송선로 인버터의 임피던스가 높아지는 특성을 보이기 때문에 너무 얇은 전송 라인은 제작이 불가능하거나 제조에 큰 어려움이 있다.
또한, 제2 실시예에서는 상기 입력단(1) 및 제1 및 제2 출력단(2, 3)을 λ/4 길이의 전송선로로 형성하되, 기능에 영향을 주는 것 없이 발룬-대역 통과 필터의 크기를 작게 설계하기 위하여 선로 중간에 절곡부를 형성하였다.
도 8은 도 7에 도시된 제1 링 공진기와 제2 링 공진기 사이를 연결하는 연결전송선로를 인터디지털 커플링(Interdigital coupling) 구조의 인터디지털 인버터로 대체한 것을 설명하기 위한 확대도이고, 도 9는 도 8에 도시된 인터디지털 커플링 구조의 크로스 커플링(cross-coupling)을 고려한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 좌측의 인버터는 도 3에서 제1 링 공진기(100) 및 제2 링공진기(200) 사이를 연결하는 λ/4 연결전송선로(6)를 나타낸 것이고, 우측의 인버터는 도 7에서 제시한 제2 실시예에 의한 중간단 인버터로서 전기적으로 λ/2의 길이를 갖는 인터디지털 인버터(Interdigital inverter)(40)를 나타낸 것이다.
인터디지털 인버터(40)는 각각 비아홀(via hole)(41,42)을 통하여 반대면의 접지면과 연결되며 소정의 간격을 두고 대향한 한쌍의 평행선로(43,44)와, 상기 한쌍의 평행선로(43,44)를 제1 링 공진기(100) 및 제2 링공진기(200)와 각각 연결하기 위하여 상기 한쌍의 평행선로(43,44)에 수직으로 연결된 한쌍의 연결선로(45,46)로 이루어져 있다.
이때, 도 8의 좌측 및 우측의 구조에서 각각 Y 파라미터가 특정 주파수에서 같으면 두 가지 구조는 특정 주파수에서 동일한 구조가 된다. 회로 시뮬레이션 프로그램(ADS)을 통하여 도 8에 도시된 바와 같이 Y 파라미터를 맞추어 줌으로써 다른 구조로의 변환이 가능하다.
이때, 도 8의 우측의 인터디지털 인버터는 제1 링 공진기(100) 및 제2 링 공진기(200) 간의 크로스 커플링(Cross coupling)을 고려하여 전기적 길이(θs)를 특정 길이 이상으로 설정한다. 인터디지털 인버터(40)의 특성 임피던스(Zs) 및 θs를 임의로 정한 후, Zoo, Zoe, 및 θc를 조정하여 λ/4 연결전송선로 인버터와 같은 Y 파라미터를 가지도록 설정한다.
일반적으로 커플링은 바로 옆에 위치한 공진기 사이에서만, 즉, 제1 링 공진기(100) 및 제2 링 공진기(200) 사이에서만 커플링이 발생하지만, 상기 크로스 커플링은 바로 옆 공진기 사이에서 발생하는 커플링이 아닌 거리상으로 떨어진 공진기 사이에서 발생하는 커플링을 지칭한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 적용된 크로스 커플링(cross-coupling)을 고려한 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로서, 상기 크로스 커플링을 고려하여 비유전율이 3.38 이고, 두께가 0.762mm 인 기판을 사용하여, Zeo=169.6Ω, Zs=111.062Ω, Is(θs)= 2, 3, 4 mm인 때, 인터디지털 인버터의 결합계수(C)와 물리적 길이 Is(=θs)를 2(▲), 3(■), 및 4(◆) mm에 대한 J와 θc의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9의 그래프로부터 J23=0.0048, Is=3.00mm인 경우 인터디지털 인버터의 설계 파라미터 값을 구하면 하기 표 2와 같이 얻어진다.
Zoe Zoo θc Zs Is
169.60Ω 77.22Ω 37.00° 111.06Ω 3.00mm
상기한 크로스 커플링(Cross coupling)을 고려한 인터디지털 인버터(40) 구조를 갖는 제2 실시예의 특성을 확인하기 위하여 샘플을 제작하고(도 10 참조), 이에 대한 S-파라미터 특성과, 크기 및 위상차 특성을 측정하여 도 11 및 도 12에 각각 나타내었다.
도 11를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 주파수 응답은 S-파라미터(S21,S31)를 참고할 때 2평형 출력 포트 사이에 동일한 크기와 평형 위상 특성을 나타내며, 또한 대칭적인 통과대역 특성 및 제1실시예보다 더욱 샤프한 스커트(skirt) 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 12를 참고할 때 측정점(○)에서 정확하게 180° 위상차를 갖고 있고 이 경우 0 dB의 전력분배 차를 이루어지고 있는 것을 알 수 있다.
상기한 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 특성은 2평형 출력단이 180° 위상차를 갖고 전력분배차가 0 dB로서 동일한 노치 특성을 가지므로 대칭적인 출력 특성을 갖고 있고, 샤프한 스커트(skirt) 특성을 나타내고 있다. 그 결과 본 발명은 완벽한 발룬-대역 통과 필터의 특성을 나타내고 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 공진기 간의 상호 결합을 이용한 대역 통과 필터를 설계 원리를 설명하기 위한 개념적 블록도이다.
도 2는 도 1에서 결합 계수에 따른 대역 통과 필터 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 설계값을 이용하여 시뮬레이션된 S-파라미터(즉, 주파수 응답 특성)를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 설계값을 이용하여 시뮬레이션된 출력 신호의 크기와 위상차를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 인터디지털 커플링(Interdigital coupling) 구조의 인터디지털 인버터를 설명하기 위한 확대도를 도시한 것이다.
도 9는 도 8에 도시된 인터디지털 인버터의 설계에 필요한 J와 θc의 값을 구하기 위한 그래프를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 제작 샘플 사진이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 제작 샘플에 대한 S-파라미터를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발룬-대역 통과 필터의 제작 샘플에 대한 출력 신호의 크기와 위상차를 나타낸 그래프이다.

Claims (11)

  1. 입력단을 통하여 불평형 입력신호가 입력되는 제1 링 공진기;
    상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 제1 및 제2 출력단을 구비하는 제2 링 공진기; 및
    상기 제1 링 공진기 및 제2 링 공진기를 연결하는 연결전송선로를 포함하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 링 공진기는,
    외부로부터 불평형 입력 신호가 인가되는 입력단;
    일측이 상기 입력단과 연결되며 타측이 연결전송선로와 연결되고 λ/4 길이를 가지는 제1-1 선로; 및
    일측이 상기 입력단 및 상기 제1-1 선로와 연결되며 타측이 제1-1 선로 및 연결전송선로와 연결되고 3λ/4 길이를 가지며 상기 제1-1 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하는 제1-2 선로를 포함하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 링 공진기는,
    상기 제1-1 선로의 어드미턴스와 상기 제1-2 선로의 어드미턴스 사이의 차가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 제1 링 공진기의 인버터 값이 증가하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 링 공진기는,
    상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 제1 및 제2 출력단;
    양단부가 각각 상기 연결전송선로 및 제1 출력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-1 선로;
    양단부가 각각 상기 연결전송선로 및 제2 출력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-2 선로; 및
    상기 제1 출력단 및 제2 출력단 사이를 연결하며, 상기 제2-1 및 제2-2 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하도록 λ/2 길이를 가지는 제2-3 선로를 포함하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 링 공진기는,
    상기 제2-1 선로의 어드미턴스와 상기 제2-2 선로의 어드미턴스 사이의 차가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 제2 링 공진기의 인버터의 값이 증가하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력단, 상기 제1 출력단 및 제2 출력단은,
    각각 전기적으로 λ/4 길이의 전송선로로 구성되며, 상기 전송선로의 어드미턴스 크기가 증가함에 따라 등가회로에서 상기 입력단, 상기 제1 출력단 및 제2 출력단이 형성하는 인버터 값이 증가하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 등가회로에서 상기 연결전송선로에 의해 형성되는 인버터 값이 증가할수록 상기 제1 링 공진기 및 상기 제2 링 공진기의 공진 주파수의 간격은 멀어지는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결전송선로는,
    전기적으로 λ/4 길이를 가지며 인터디지털 커플링 구조로 이루어지는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  9. 외부로부터 불평형 입력신호가 입력되는 입력단;
    일측이 상기 입력단과 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제1-1 선로와 일측이 상기 입력단 및 상기 제1-1 선로와 연결되며 타측이 제1-1 선로와 연결되고 3λ/4 길이를 가지며 상기 제1-1 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하는 제1-2 선로를 포함하는 제1 링 공진기;
    일단이 상기 제1 링 공진기의 제1-1 선로와 제1-2 선로의 연결부분에 연결되 는 연결전송선로;
    일단이 상기 연결전송선로와 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-1 선로와, 일단이 상기 연결전송선로와 연결되며 λ/4 길이를 가지는 제2-2 선로와, 상기 제2-1 선로와 제2-2 선로 사이를 연결하며, 상기 제2-1 및 제2-2 선로와 함께 1파장 링 공진기를 형성하도록 λ/2 길이를 가지는 제2-3 선로를 포함하는 제2 링 공진기;
    상기 제2-1 선로와 제2-3 선로 사이의 연결부분에 일단이 연결되는 제1 출력단; 및
    상기 제2-2 선로와 제2-3 선로 사이의 연결부분에 일단이 연결되는 제2 출력단을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 출력단은 각각 상호간에 180도 위상차를 나타내는 평형 제1 및 제2 출력 신호를 발생하는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 발룬-대역 통과 필터는 일측면에 접지면이 형성된 유전체 기판 위에 형성되며;
    상기 연결전송선로는 인터디지털 커플링(interdigital coupling) 구조의 인터디지털 인버터로 형성되는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
  11. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제1 출력단 및 제2 출력단은 동일한 노치 특성을 나타내며 대칭적인 출력 특성을 갖는 두 개의 링 공진기를 이용한 발룬-대역 통과 필터.
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