KR20100055068A

KR20100055068A - 메타머티리얼을 포함하는 가변 공진기 및 이를 구비한 필터

Info

Publication number: KR20100055068A
Application number: KR1020080113985A
Authority: KR
Inventors: 윤상원; 김철수; 조영호; 김덕환; 송인상; 신제식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-05-26

Abstract

무선통신 송수신기(transceiver)에서의 가변 공진기 및 필터가 개시된다. 본 발명의 일 양상에 따른 가변 공진기는 전송선로에 연결되고, 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함하도록 구성함으로써, 튜너블(tunable) 소자의 공진 주파수 가변 범위를 크게 확장시킬 수 있다.

공진기, 전송선로, 메타머티리얼, 필터

Description

메타머티리얼을 포함하는 가변 공진기 및 이를 구비한 필터 {Variable frequency resonator with metamaterial, and filter therewith}

본 발명의 일양상에 따른 기술분야는 무선 주파수 처리에 관한 것이며, 보다 상세하게는 무선통신 송수신기(transceiver)에서의 가변 공진기 및 필터에 관한 것이다.

무선통신 송수신기에는 공진 주파수를 가변시켜 원하는 신호를 검출하는 동조기(tuner)가 구비된다. 이러한 동조기와 같이 공진 주파수(resonance frequency)를 가변시킬 수 있는 튜너블(tunable) 소자는, 커패시터(capacitor)와 인덕터(inductor)의 조합으로 등가회로가 구성될 수 있다. 이때, 커패시터의 커패시턴스(capacitance) 값을 가변하여 공진 주파수를 가변한다.

그런데 인덕터는 일반적으로 커패시턴스의 변화를 방해하는 성향이 있으므로, 커패시턴스 값의 가변에 따라 얻을 수 있는 공진 주파수 가변 범위가 제한될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 양상에 따라, 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함하는 가변 공진기와 이를 구비한 필터를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 양상에 따른 가변 공진기는 전송선로와, 이 전송선로에 연결되고, 이 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 양상에 따른 필터는 전송선로와, 이 전송선로에 연결되고 이 전송선로의 역위상 및 반대의 군속도(group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함한 가변 공진기를 적어도 하나 구비한다. 이때 상기 필터는 가변 공진기를 2단으로 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 양상에 따른 가변 공진기 조정방법은, 안테나 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 상기 안테나 전송선로에 연결하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 튜너블(tunable) 소자의 공진 주파수 가변 범위를 크게 확장시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 가변 공진기를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가변 공진기는 전송선로(transmission line)(110)과 메타머티리얼(metamaterial)(120)을 포함한다. 메타머티리얼이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질로서, 유전율(permitivity) 과 투자율(permeability)이 모두 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조를 갖는 물질을 나타낸다. 보다 구체적으로 메타머티리얼은, DNG(doubly negative material), 음의 굴절률(NRI; negative refractive index) 혹은 LHM(left-handed material) 등으로 표현되는 특징을 갖는 물질 또는 구조를 지칭한다. 메타머티리얼은 어떤 특정 조건 하에서 그 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지게 되며 이에 따라 일반적인 물질과는 매우 상이한 전자파 전파 특성을 나타낸다.

본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼(120)은 전송선로(110)와는 역위상(reverse phase)을 갖고 반대의 군 속도(group velocity)를 갖는 특성이 있다. 군 속도는 전자파의 에너지 전파(propagation) 속도 또는 전자파의 동심의 이동속 도를 나타낸다. 즉 여러 주파수 성분을 갖는 전자파가 집단으로 전파될 때, 이 전자파의 에너지가 전파되는 속도를 말한다.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼(120)은 엄밀히 말해 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지게 되도록 하는 구성을 말하며, 실질적으로는 특정 물질이 아니고 그러한 특성을 갖도록 커패시터나 인덕터 등을 회로적으로 구성하여 구현할 수 있다.

전술한 바와 같은 특성을 갖는 메타머티리얼(120)을 전송선로(110)에 연결하면, 커패시터(140)를 가변하여 공진 주파수를 조정하는데 있어 보다 넓은 가변 공진 주파수 대역폭을 확보할 수 있다. 다시 말하면 커패시터(140)의 커패시턴스 값의 증가량을 억제하는 인덕터의 역할을 어느 정도 상쇄시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 경우, 인덕턴스의 변화를 도시한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 메타머티리얼을 구비한 이후의 인덕턴스 또는 전기적 길이(electrical length)가 메타머티리얼을 구비한 이전의 인덕턴스 또는 전기적 길이(electrical length)보다 크게 감소됨을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 커패시터(140)의 커패시턴스 값의 증가량을 억제하는 인덕터의 역할을 다소 상쇄시킨다는 것을 의미한다.

한편, 전기적 길이(electrial length)는 전송매체 내에 전파되고 있는 주기적인 전자기 또는 전기 신호의 파장의 배수로 표현된다. 파장은 라디안 또는 각도와 같은 인위적인 측정 단위로 표현될 수 있다. 동축케이블과 광케이블에서의 전 파 속도는 자유공간에서의 거의 2/3 정도의 속도이다. 그 결과, 파장은 자유공간에서의 약 2/3 정도가 되며, 전기적 길이는 물리적 길이의 1.5배 정도가 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 경우 전송선로의 공진 주파수의 가변 범위를 도시한 그래프이다.

도 3은 일예로, 전송선로(110)의 임피던스가 50 오옴이고 전기적 길이가 50도이며 공진 주파수가 2.5GHz 인 경우, 커패시터(140)의 커패시턴스 값을 1.5pF 에서 0.5pF 으로 가변하면서 시뮬레이션 한 결과 그래프이다.

도 3을 참조하면 메타머티리얼을 구비하기 전에는 커패시터(140)의 커패시턴스를 가변함에 따라 중심 주파수가 2.2GHz 에서 3.15GHz로 가변된 반면, 메타머티리얼을 구비한 후 커패시터(140)의 커패시턴스를 가변하면, 중심 주파수가 2.1GHz에서 4.25GHz 까지 가변되어 약 1GHz 정도 가변 범위가 향상됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 공진기를 2단으로 구비한 필터의 구현예를 도시한 도면이다.

전송선로(110-1)와 메타머티리얼(120-1)을 구비한 본 발명의 일실시예에 따른 제1 가변 공진기와, 전송선로(110-2)와 메타머티리얼(120-2)을 구비한 본 발명의 일실시예에 따른 제2 가변 공진기를 커플링하여 필터를 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 공진기를 2단으로 구비한 필터의 특성 곡선을 도시한 그래프이다.

도 5를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 공진기를 2단으로 구비한 필터에서 커패시턴스를 가변하면, 메타머티리얼을 구비하기 전 (원으로 이루어진 선분으로 표시됨)에는 중심 주파수가 2.3GHz 에서 3.5GHz로 가변된 반면, 메타머티리얼을 구비한 후(실선으로 표시됨) 커패시턴스를 가변하면, 중심 주파수가 2.3GHz에서 4.6GHz 까지 가변되어 가변 범위가 향상됨을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공진 주파수 가변 방법의 플로우차트이다.

먼저, 안테나 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 안테나 전송선로상에 연결한다(S610). 그리고 커패시턴스 값을 가변하여 중심 주파수를 가변한다(S620).

이제까지 본 발명의 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 가변 공진기를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 경우, 인덕턴스의 변화를 도시한 그래프,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메타머티리얼을 구비한 경우 전송선로의 공진 주파수의 가변 범위를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 공진기를 2단으로 구비한 필터의 구현예를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 공진기를 2단으로 구비한 필터의 특성 곡선을 도시한 그래프,

<도면의 주요부분에 대한 설명>

110 : 전송선로 120 : 메타머티리얼

140 : 커패시터

Claims

전송선로; 및

상기 전송선로에 연결되고, 상기 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함하는 가변 공진기.
제1항에 있어서,

상기 메타머티리얼은, 일정한 조건하에서 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 갖는 가변 공진기.
제1항에 있어서,

상기 메타머티리얼은, 커패시터와 인덕터를 포함하는 회로적 구성을 통해 유효 유전율과 유효 투자율이 음의 값을 갖도록 하는 가변 공진기.
전송선로와, 상기 전송선로에 연결되고 상기 전송선로의 역위상 및 반대의 군속도(group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 포함한 가변 공진기를 적어도 하나 구비한 필터.
제4항에 있어서,

상기 메타머티리얼은, 일정한 조건하에서 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 갖는 필터.
제4항에 있어서,

상기 메타머티리얼은, 커패시터와 인덕터를 포함하는 회로적 구성을 통해 유효 유전율과 유효 투자율이 음의 값을 갖도록 하는 필터.
제4항에 있어서,

상기 필터는 상기 가변 공진기를 2단으로 연결한 밴드패스 특성을 갖는 필터.
안테나 전송선로의 역위상(reverse phase) 및 반대의 군속도(negative group velocity) 특성을 갖는 메타머티리얼을 상기 안테나 전송선로에 연결하는 단계를 포함하는 가변 공진기 조정 방법.