KR20100088329A

KR20100088329A - 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로

Info

Publication number: KR20100088329A
Application number: KR1020090007481A
Authority: KR
Inventors: 우덕제; 이광재; 이택경
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-09
Also published as: KR100987478B1

Abstract

무선 통신 시스템에 사용되는 초고주파 영역에서 응용이 가능한 다중주파수 공진 특성을 갖는 맴돌이 형 결함접지 구조를 지닌 동일평면 도파관 전송선로(CPW: Coplanar waveguide)가 개시된다.

개시된 다중주파수 공진 특성을 갖는 맴돌이 형 결함접지 구조를 지닌 동일평면 도파관 전송선로는, 면적이 다른 여러 쌍의 맴돌이 형태의 겹함접지구조(DGS)들을 신호 선과 수직방향으로 연결하여, 각각의 결함접지구조가 고유의 등가 인덕턴스와 등가 캐패시턴스 성분을 갖도록 설계함으로써, 각각의 결함접지구조가 고유의 L-C 공진 특성을 갖게 되어, 다중 주파수 공진 특성을 제공하며, 표준형 CPW 전송선로 및 기존에 지시되었던 DGS 들을 포함한 전송선로에 비해 더 큰 전파지연 특성을 제공하게 되는 것이다.

맴돌이 형 결함접지구조, 다중주파수 대역, 대역 억압, 전파지연

Description

다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로{Coplaner waveguide having multi-frequency resonance property}

본 발명은 무선 통신 시스템에 사용되는 초고주파 영역에서 응용이 가능한 다중주파수 공진 특성을 갖는 맴돌이 형 결함접지 구조를 지닌 동일평면 도파관 전송선로(CPW: Coplanar waveguide)에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로 스트립 전송선로(microstrip line)나 CPW 전송선로의 접지면에 일정한 모양을 식각한 결함접지구조(DGS: Defected Ground Structure)는 전송선로 상에 부가적인 인덕턴스 성분 및 캐패시턴스 성분을 제공하여, 특정 주파수에서 공진 특성을 나타낸다. 이러한 공진기로서의 특성은 여파기, 발진기 및 각종 초고주파 회로의 성능 개선에 응용되어왔다.

또한, 전송선로의 전파지연 효과를 크게 개선하여 초고주파 회로의 소형화에 광범위하게 사용되고 있다. 무선통신 시스템의 기하급수적인 발전과 더불어서 시스템 내부 회로의 소형화, 경량화 및 다기능화 등이 요구되고 있는 상황에서 DGS는 매우 유용한 응용기술로써 평가받고 있다.

그러나 기존의 DGS들은 하나의 주파수에서 공진 특성을 나타내므로 다중주파수에서 동작하는 DGS를 구현하기 위해서는 면적이 다른 두 개 이상의 단위 DGS를 신호선의 진행방향으로 연결해야한다. 이러한 방법은 신호의 진행방향으로 선로의 길이가 길어지는 문제점이 발생하며, 회로의 삽입손실이 증가하는 설계상의 어려움을 유발한다.

또한, 기존의 표준형 전송선로의 크기는 주파수와 반비례하기 때문에 동작 주파수가 낮아지면 회로의 크기가 커지는 문제점을 유발하였다.

더욱이 통신 시스템의 발달 및 소비자의 요구에 의하여 하나의 기기로 다양한 통신 서비스를 제공하는 것이 추세이기 때문에, 이러한 요구 사항에 맞게 여러 주파수 대역에서 동작하는 능동 및 수동소자의 개발이 필수적이다. 특히 다중의 주파수 대역에서 동작하는 능동소자는 비선형성으로 인하여 많은 수의 불효 고조파 성분을 발생시키게 된다. 이러한 불효 고조파 성분은 회로의 선형성 및 효율을 감소시키는 주된 요인이기 때문에 제거해야할 대상이 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하고, 불효 고조파 발생을 억제하면서도 다양한 주파수 대역에서 동작가능한 도파관 전송선로를 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 신호선의 진행방향으로 작은 면적을 가 지면서도 다중의 공진 특성을 구현토록 한 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 종래 DGS에 비해 매우 큰 값의 전파지연상수를 갖고 있으며, 신호 선과 수직방향으로 충분한 크기의 접지면을 존재시켜 더욱 큰 전파지연 효과를 도모해주는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로"는,

도파관 전송선로의 접지면에 신호 선과 수직방향으로 대칭적으로 면적이 다른 다중의 맴돌이 형 DGS쌍을 삽입하여, 각각의 결함구조가 고유의 등가 인덕턴스와 등가 캐패시턴스 성분을 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, CPW 전송선로의 접지 면에 신호 선과 수직방향으로 대칭적으로 다중의 맴돌이 형 DGS를 삽입함으로써, 신호 선의 진행 방향으로 작은 크기를 갖으면서 다중 공진 특성을 제공할 수 있는 장점이 있으며, 기존의 DGS보다 향상된 전파지연 효과를 도모해주는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 매우 큰 전파지연 효과를 구현할 수 있으므로 낮은 주파수 대역에서 동작하는 회로의 크기를 대폭 감소시킬 수 있는 장점도 있다.

본 발명에 따른 다중 공진 특성을 갖는 CPW 전송선로를 능동소자에 사용하게 되면 다중의 불효 고조파 성분들을 제거할 수 있어, 회로의 선형성 및 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 다중 공진 특성을 갖는 CPW 전송선로는 여파기, 발진기 등 각종 초고주파 회로의 소형화 및 다기능화에 광범위하게 응용가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1a는 본 발명에 따른 다중 주파수 공진 특성을 갖는 결함접지 구조를 지닌 CPW 전송선로의 사시도로서, 접지면(11)(12)에 다중 주파수 공진 특성을 갖는 결함접지구조를 삽입한 CPW 전송선로의 모습을 도시한 것이다.

신호 선(10)과 접지면(11, 12)이 유전체(20) 위에 있으며, 신호 선(10)과 접지면(11, 12)은 도전성 금속막으로 구성되어 있다. 접지면(11, 12)에는 다중 주파수 대역을 제거할 수 있는 서로 다른 면적을 갖는 맴돌이 형 결함접지구조들이 위치하고 있으며, 이들은 신호 선(10)을 기준으로 대칭적이다.

도 1b는 도 1a에 표현된 전송선로의 평면도를 도시한 것이며, 도 1c는 정면도를 도시한 것이다. 여기서 W는 신호 선의 넓이를 나타내며, L은 신호 선의 진행방향으로 DGS가 삽입된 길이를(맴돌이 형 결함접지구조를 지닌 길이 L만큼의 CPW 전송선로가 '단위 맴돌이 형 DGS CPW 전송선로'로 정의된다) 나타내고, S는 식각되지 않고 남아있는 금속 막의 폭을 나타낸다. 또한, A, B, C는 접지면에 삽입된 맴돌이 형 결함접지구조의 가로 방향 치수를 의미한다. 유전체의 유전율과 유전체 두께를 각각 er 및 h로 표현하였다.

도 2는 유전체 아랫부분에 접지면이 추가로 존재하는 CPWG(coplanar waveguide with ground)를 보여주고 있다. 도 1a에 표현된 구조와 마찬가지로 신호 선(10)과 간격 D만큼 떨어진 곳에 다중 주파수 공진 특성을 갖는 맴돌이 형 결함접지구조들이 삽입된 두 개의 접지면(11, 12)이 신호 선(10)에 대칭적으로 위치하고 있다.

도 3은 도 1에 나타낸 접지면에 다중 주파수 공진 특성을 갖는 결함접지구조를 삽입한 CPW 전송선로에 대한 전달특성을 전자기적 시뮬레이션을 통하여 산란계수(

)로 나타내고 있다. 여기서 유전체의 유전율(er)은 10.2이며, 유전체 높이 h는 1.27mm로 설정하였다. 삽입된 맴돌이 형 결함접지구조의 개수에 따른 공진 주파수의 변화를 쉽게 이해할 수 있도록, 맴돌이 형 결함접지구조가 신호 선을 기준으로 대칭적으로 한 쌍(A=2.2mm, B=0mm, C=0mm, L=3mm), 두 쌍(A=2.2mm, B=1.4mm, C=0mm, L=3mm) 및 세 쌍(A=2.2mm, B=1.4mm, C=1.0mm, L=3mm)일 때로 나누어서 전달 특성을 보여주고 있다. 이러한 구조는 신호 선과 가까운 위치에 놓인 결함접지구조를 크게 설계하여 낮은 주파수에서 공진 하도록 의도한 것이며, 신호 선과 멀어질수록 결함접지구조의 면적을 작게 하여 높은 주파수에서 공진하도록 의도한 것이다.

도 3a는 한 쌍의 맴돌이 형 결함접지구조가 존재할 때((A=2.2mm, B=0mm, C=0mm, L=3mm)의 전달특성을 보여주고 있다. 2.22GHz에서 공진이 형성되며, 공진주파수 부근에서 신호의 진행을 차단하는 특성을 나타낸다.

두 쌍의 맴돌이 형 DGS((A=2.2mm, B=1.4mm, C=0mm, L=3mm)를 연결한 구조에서는 도 3b의 결과와 같이 2.16GHz와 3.04GHz에서 공진 주파수가 형성되는 것을 볼 수가 있다. 의도한데로 두 번째 맴돌이 형 DGS쌍이(B=1.4mm, L=3mm) 첫 번째 맴돌이 형 DGS쌍보다(A=2.2mm, L=3mm) 면적이 작기 때문에 상대적으로 높은 주파수(3.04GHz)에서 공진이 발생하는 것을 보여주고 있다.

두 번째 맴돌이 형 DGS의 삽입으로 인해 첫 번째 맴돌이 형 DGS에 의한 공진주파수가 2.22GHz에서 2.16GHz로 약간 이동한 것을 볼 수가 있는데, 이는 추가적인 유효 인덕턴스 및 두 구조 사이의 캐패시턴스 성분이 증가한 것으로 설명할 수가 있다.

도 3c는 크기가 다른 세 쌍의 맴돌이 형 DGS를 삽입한 CPW의 주파수 전달 특성을 보여주고 있다. 세 쌍의 맴돌이 형 DGS(A=2.2mm, B=1.4mm, C=1.0mm, L=3mm)를 연결한 구조는 각각 2.14GHz, 2.93GHz, 3.64GHz에서 공진주파수가 형성이 되며, 세 주파수에서 25dB 이상의 신호억압 특성을 제공하고 있음을 알 수 있다.

즉, 위의 결과는 각각의 맴돌이 형 DGS가 거의 독립적인 공진 주파수를 가지고 있다는 것을 보여주고 있으며, 네 쌍 이상의 DGS에 대해서도 같은 현상이 나타날 수 있음을 쉽게 예측할 수가 있다.

도 4는 도 1에 표현된 구조에서 CPW의 접지면에 식각되는 맴돌이 형 결함접지구조의 쌍의 개수에 따른 전파지연상수의 변화를 알아보기 위한 것으로, 표준형 CPW 전송선로(도 1에서 DGS가 삽입되지 않은 전송선로)와 DGS가 삽입된 전송선로의 길이를 L(=3mm)만큼 같게 취해서 각각의 전파지연상수를 비교하였다. 전파지연상수는 다음과 같은 식으로 표현이 가능하다.

전파지연상수(SWF: Slow wave factor)는 유효유전율이

일 때, 전파상수

와, 자유공간에서의 전파상수

의 비로 나타나므로 아래의 수학식 1과 같다.

유효유전율

은 유전체에서의 파장(

)과 자유공간에서의 파장(

)의 비로 나타낼 수 있으므로, 전파지연상수는 아래와 같은 수학식 2로 표현할 수 있다.

도 4에 표시된 바와 같이 표준형 CPW 전송선로에 비하여 DGS를 삽입한 CPW 전송선로의 전파지연상수가 큰 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 선로의 진행방향에 수직으로 연결한 DGS쌍의 개수가 증가할수록 전파지연상수가 증가하는 현상을 보여준다.

전자파가 유전율이 큰 매질을 진행할 때는 동일한 물리적 길이의 자유공간과 비교하여 더 큰 전기적인 길이(파장단위의 길이)를 갖는다. 따라서 매질의 유효 유전율이 높을수록 전파지연상수가 크다. 또한, 매질의 등가 회로 성분들이 존재할 때 이 성분들 때문에 전파가 더디게 진행한다.

DGS를 삽입한 전송선로는 표준형 전송선로에 비하여 전파지연상수가 크기 때문에, 공진 주파수보다 낮은 대역에서 동작하는 회로의 전송선로로 사용되면 회로의 크기를 줄일 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면 기존 구조들보다 매우 큰 전파지연상수를 제공하기 때문에 마이크로파 및 밀리미터파 회로의 소형화에 매우 획기적으로 응용될 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1a는 본 발명에 따른 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로의 구조도이고, 도 1b는 도 1a의 평면도이고, 도 1c는 도 1a의 정면도이다.

도 2는 유전체 하부에 접지면이 추가로 존재하는 CPWG의 구조도.

도 3a 내지 도 3c는 접지면에 다중 주파수 공진 특성을 갖는 결함접지구조를 삽입한 CPW전송선로에 대한 전달 특성도.

도 4는 CPW의 접지면에 식각되는 맴돌이 형 결함접지구조의 쌍의 개수에 따른 전자지연상수의 변화도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10… 신호 선

11, 12… 접지면

20… 유전체

51, 52… 맴돌이 형 DGS

Claims

다중주파수 공진 특성을 갖는 도파관 전송선로에 있어서,

상기 도파관 전송선로의 접지면에 신호 선과 수직방향으로 대칭적으로 면적이 다른 다중의 맴돌이 형 DGS쌍이 구비된 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 상기 도파관 전송선로와 동일평면상에 구현되는 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제2항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 각각 고유의 등가 인덕턴스와 등가 캐패시턴스 성분을 갖고, 특정 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제2항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 인덕턴스와 캐패시턴스 공진 특성을 통해 다중 주파수 공진 특성을 제공하는 것을 특징으로 하는 다중주파수 공 진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제2항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 다중주파수 대역을 억압하는 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제2항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는 표준형 도파관 전송선로에 비애 더 큰 전파지연 상수를 구비한 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 유전체 위에 형성되는 신호 선을 중심으로 좌우에 구비되는 접지면에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.
제7항에 있어서, 상기 다중의 맴돌이 형 DGS는, 낮은 주파수에서 공진하도록 상기 신호 선과 가까운 위치에 놓인 결함접지구조의 면적을 크게 설계하고, 높은 주파수에서 공진하도록 상기 신호 선과 멀어질수록 결함접지구조의 면적을 작게 설 계한 것을 특징으로 하는 다중주파수 공진 특성을 갖는 동일평면 도파관 전송선로.