KR20110083349A - 메타재질 ｃｒｌｈ 전송선 구조에 의한 서브 파장길이 단위 초소형 이중대역 대역통과 여파기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오른손 및 왼손 전파현상을 결합한 전송선로(Composite right/left-handed(CRLH))구조를 기본으로 하여 서브파장길이 (subwavelength)의 크기 초소형화를 이루는 여파기 특히 CRLH의 0차 공진모드를 이용하게 되면 공진기 전체에 걸쳐 파장이 무한대와 같아지므로 여파기의 크기를 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 인버터이론을 이용하여 불요(spurious) 공진점을 조정하여 GSM과 ISM대역에서 동작하는 이중대역 특성을 나타내는 이중대역 대역통과 여파기에 관한 것이다.

Description

메타재질 ＣＲＬＨ 전송선 구조에 의한 서브 파장길이 단위 초소형 이중대역 대역통과 여파기 {Sub-wavelength Scaled Miniaturized Dual-band Bandpass Filter using the Metamaterial CRLH Transmission lines}

본 발명은 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한 전송선로(Composite right/left-handed(CRLH))구조를 기본으로 하여 서브파장 길이(subwavelength)의 크기 초소형화를 이루는 대역 통과 여파기에 관한 것으로서 (여기서 서브파장 길이라 함은 λ의 10^-1을 말한다) 특히 상기 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한 전송선로 CRLH의 0차 공진모드를 이용하게 되면 공진기 전체에 걸쳐 파장이 무한대와 같아지므로 여파기의 크기를 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라 인버터 이론을 이용하여 불요(spurious) 공진점을 조정하여 유럽형 이동통신 표준인 (GSM)과 산업 과학 메디컬 (ISM) 대역에서 동작하는 이중대역 특성을 나타내는 초소형 이중대역 대역통과 여파기에 관한 것이다.

본 발명은 초고주파(RF, Microwave/Millimeter-wave) 영역 중 초광대역 시스템 구성의 핵심부품인 대역통과 여파기(Bandpass filter, BPF)의 설계부분에 속한 이중 대역 대역통과 여파기에 관한 것으로서, 이 분야의 종래기술을 설명하기 위해 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도시된 도 1의 구조는 통신시장을 포함한 산업계에서 가장 널리 사용되는 대역통과 여파기의 하나인 평행 결합선로 여파기이다. 상기 평행결합 선로 여파기의 설계이론은 잘 알려져 있으며 통상 마이크로스트립 공정을 이용하기 때문에 제작이 손쉽다는 장점을 가진다. 만약 도 1에 도시된 바와 같이 스펙에 따라 차수가 6차로 정해진 경우, 설계용 등가 회로에서는 서브파장 공진기(1번 공진기(15~18), 2번 공진기(20~23), 3번 공진기(25~28), 4번 공진기(30~33), 5번 공진기(35~38), 6번 공진기(40~43)), 입력포트와 출력포트와 인접한 공진기 간의 결합량(14와 44), 공진기들 간의 결합량(19,24,29,33,38)을 얻어야 한다. 이들 값들은 스펙의 진폭특성에 따라 무한한 조합으로서 얻어지며 이런 경우 정확히 스펙을 만족하는 조합과 그에 따른 설계 값을 얻는 것은 거의 불가능하지만 대부분의 경우 수학적인 표현으로 근사화가 가능하여 직교 다항함수(Orthogonal polynomial) 계산표의 값들을 참조하며 설계를 한다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같은 구조는 서브파장 공진기를 근간으로 설계되어 차수에 따라 길이가 커지고 불요 고조파(spurious harmonic)가 발생하여, 인접 채널에 부정적인 영향을 미친다는 단점이 있다. 또한, 공진기들의 가장자리 누설 전기장(fringing field)의 결합을 이용하기 때문에 등가 회로에서 얻어진 결합 커패시턴스를 정밀하게 표현하는 식이 없어 수차례 반복되는 전파(Full wave) EM 해석(전자파 해석; Electromagntic)과 제작/측정이 수반되는 또 다른 단점이 있다. 종래의 도 1의 평행결합선로 구조를 변형한 결합 필터(combined Filter)에 계단 임피던스 공진기(Step-Impedance Resonator)의 구조를 적용한 이중대역 대역통과 여파기를 도 2에 도시하고 있다. 상기 계단 임피던스 공진기(SIR)의 임피던스 교번과 공진기의 전기적 길이의 조정을 통하여 원하는 대역의 공진점을 설정하고 계단 임피던스 공진기 간의 커플링을 이용하여 대역을 형성하여 이중대역을 만족시킨다. 도 2는 종래의 구조와 비교해 반으로 크기를 소형화시킨 모습이다.

본 발명의 목적은 오른손 및 왼손 전파현상을 결합한 전송선로(Composite right/left-handed(CRLH))구조를 기본으로 하여 기존 여파기와 비교하여 서브파장길이의 크기를 초소형화하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 여파기의 오른손 및 왼손 전파현상을 결합한 전송선로 (CLH)의 0차 공진 모드를 이용하여 공진기 전체에 걸쳐 파장이 무한대와 같아지므로 여파기의 크기를 소형화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 인버터이론을 이용하여 불요(spurious) 공진점을 조정하여 GSM과 ISM대역에서 동작하는 이중대역 특성이 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 도시된 바와 같이, 도 1에서는 반파장 공진기를 사용하고 사용된 공진기들 간의 커패시턴스를 이용하는 결합을 이용하는 평행결합선로 대역 통과 여파기로서 단점은 차수에 따라 전체 크기가 증가하는데, 도 2에서는 도 1의 구조보다 차수가 줄고 크기도 줄어든 모습을 보여주고 있지만 본 발명에서는 도 1과 도 2에 도시된 종래의 기술의 대역 통과 여파기의 크기의 단점을 개선하도록 상술과 같이 파장λ의 10^-1인 서브파장 길이(subwavelength)크기의 초소형화를 구성함과 동시에 이중대역 특성 또한 만족시키도록 개선하도록 하는 것이다.

본 발명의 초소형 이중대역 대역통과 여파기는 메타재질 조건을 만족하는 복수의 CRLH 공진기를 포함하며, 강 결합용 인터 디지틀 및 단락 선로를 포함한 0차 공진기와 공진기간 결합 조정용 인덕턴스 선로 구조를 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 메타 재질을 만족하는 이중대역 CRLH 공진기는 인덕턴스용 스터브를 접지면과 연결하여 단락을 유도하는 구조인 via를 이용한 단락된 스터브(shorted stub) 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 대역통과 여파기는 CRLH 간의 인덕턴스형 인버터 구조의 결합을 용이하게 하도록 잠자리모양의 대칭 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 대역통과 여파기의 결합구조는 CRLH 공진기 간의 결합을 유도하기 위한 인버터 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 인버터 구조는 포트와 공진기 간의 결합구조 및 공진기와 공진기 간의 결합 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞에서 상술한 바와 같이 반파장 공진기를 설계의 기본으로 사용하는 종래의 대역 통과 여파기(평행 결합 선로)의 크기를 서브파장 길이(subwavelength)이하(λ/10 이하) 줄일 수 있으며, 도 9에 도시된 바와 같이 좋은 대역 내 주파수 특성 및 대역 외 격리(isolation)특성을 보여 초소형 이중 대역 대역통과 여파기 제조에 효과적이다.

도 1은 종래 기술의 대역통과 여파기이다.
도 2 는 종래 기술의 계단 임피던스 공진기 이중대역 대역통과 여파기이다.
도 3은 본 발명에 의한 부품크기 축소와 이중대역 특성을 나타내는 Metamaterial CRLH 전송선 구조에 의한 초소형 이중대역 대역통과 여파기이다.
도 4 는 일반적인 대역통과 여파기의 Prototype이다.
도 5는 Metamaterial CRLH 공진기의 단위 cell 등가 회로이다.
도 6은 도 4에 의한 채널 주파수 응답특성이다.
도 7 은 인버터 이론을 이용한 이중대역 형성의 개념도이다.
도 8 은 도 7에 의한 인버터 값 변화에 의한 주파수 응답 변화 특성이다.
도 9는 도 3에 의한 주파수 응답 특성이다.
도 10은 도 3에 의한 Metamaterial CRLH 0차공진 특성 1(전기장 분포)이다.
도 11은 도 3 에 Metamaterial CRLH 0차공진 특성 2 (굴절률 및 유효 임피던스)이다.
도 12a, 12b 는 도 2의 제작 모습 및 측정 결과이다.

이하 도면을 참조로 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래기술의 대역 통과 여파기를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래기술의 꺾은 형태 공진기 기반 이중대역 대역통과 여파기의 실제크기를 나타내기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 잠자리 모양의 대칭구조인 초소형 이중 대역 대역통과 여파기를 나타내는 도면으로, 도 3에 도시된 대역 통과 여파기는 부품크기의 축소와 이중대역 특성을 나타내는 메타 재질 CRLH 전송선로 구조에 의한 대역 통과 여파기이다. 일반적인 전송선로에서는 주파수가 증가함에 따라 파수는 양의 값을 가지며 선형으로 증가한다. 하지만, 오른손 및 왼손 결합(composite right-left-handed)의 경우에는 비선형적으로 증가하게 된다. 그리고 특정 주파수 대역에서 파수의 기울기는 양이면서 음의 값을 가지게 되는데, 이는 왼손(left-handed) 전파 특성이 나타난다는 의미이다. 상기 파수의 기울기가 0과 음의 값을 가질 때 공진 점은 왼손(LH)영역에 발생하게 된다. 특히, 파수가 특정 주파수 대역에서 0 값을 가지면, 파장이 무한대가 되어 구조적 공진 길이와 상관없이 소형화가 가능하게 되는 것이다. 상기 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한 전송선로(CRLH) 이중대역 여파기의 발명에 앞서, 상기 특성을 만족시키기 위한 대역통과 여파기의 프로토 타입을 설계한다. 상기 타입의 등가회로는 개방된 CRLH 공진기에서는 공진점이 병렬공진에서 나타나므로 같은 회로로 등가화할 수 있다. 또한, CRLH 공진기의 크기는 파장에 비해 아주 작아져 공진기 전체에 걸쳐 전압이 최대의 값을 갖는다. 그러므로 각 공진기 간의 커플링은 간단히 인덕터나 커패시터와 같은 인버터로 등가화할 수 있다.

다음으로는 프로토 타입의 공진기를 구조적으로 서브파장 공진기형으로 작게 설계하는 것이다. 이를 위해서 왼손(left-handed)전송선로와 오른손(Right-handed) 전송선로가 결합 된 형태의 공진기를 적용하게 되는데, 물리적인 길이에 구애받지 않고 독립적인 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한(composite right-handed and left-handed) 전송선로의 이점을 취한 공진기를 설계할 수 있다.

도 4는 일반적인 프로토 타입의 여파기, 도 5는 메타 재질의 CRLH 공진기의 등가 회로를 나타내는 도면이다.

도 5의 등가 회로는 도 4에 도시된 프로토타입 공진기 1, 2, 3에 해당하는 메타재질(Metamaterial)공진기를 설계하기 위한 인덕터와 커패시터의 결합형태를 나타내는 도면이다. 여기서 상기 여파기의 중심주파수와 대역폭은 아래와 같은 공식들에 의하여 결정된다.

여기서 ω_cL과 ω_cR은 주기구조에서 나타나는 브릴루앙 영역(Brillouin zone) 내부에서 각각 LH, RH 전송선의 차단 주파수이다. ω_se와 ω_sh는 각각 CRLH 공진기의 직렬, 병렬 공진점 이다. 마지막으로 Z_L과 Z_R각각의 모드에서 특성 임피던스로 β=0에서 일치한다.

상기 전송 선로 상에서 구현상의 문제로 일반 공진기는 공진 주파수의 λ/2 로 설계해야 한다. 하지만, CRLH 공진기는 공진 주파수의 파장보다 작다는 조건하에서 L, C값으로 전송 선로 상에 직접 변환이 가능하다. 상기 선로 상에 직접 변환을 하기 위해서는 설계하기 전에 L, C 값을 구현 가능한 값으로 고려해서 설계를 해야 하는데, 개방된 CRLH 공진기는 병렬 공진기의 공진점에 의존하므로 C_R값이 너무 크면 전송선로에서 구현이 어렵게 된다. 이런 이유로 C_R값은 L_L값을 통해 구현 가능한 값으로 조절이 필요하다.

일반적으로는 설계된 값 C_R , L_L에 의한 공진 주파수 위상의 기울기 차이로 인해 품질계수(Q-factor)가 일반 공진기 보다 전송선로로 구현된 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한(CRLH) 공진기가 낮다는 점이다.

상기 CRLH의 공진기 특성을 활용하여 필터를 설계할 때 가장 중요한 설계 사항은 L, C값의 직접 변환을 통해 구현되고 모든 구현에 필요한 전송선로의 크기를 더욱 작게 구현을 하므로 L, C 값의 한계 크기가 존재한다는 것이다. 상기 개방된 CRLH 공진기는 병렬 공진기의 공진 주파수에서 공진하므로 병렬 공진기의 공진 주파수를 원하는 주파수에서보다 작은 크기로 구현 가능한 L, C 값으로 설계를 해야 한다.

이렇게 설계하여 구해진 회로의 L, C 소자 값들은 실질적인 구조형태로 변환시킨다.

상기 메타 재질(Metamaterial)공진기의 실제 적용을 위해서 인터디지털 구조와 접지된 스터브형 인덕터를 선택하였는데, 예로, 유전율은 10.2이고 기판 두께는 50mil인 마이크로스트립 기판을 고려하여 물리적인 치수를 결정하였다. 비대칭 구조를 T-모델과 유사한 대칭구조로 수정하기 위해서 인버터의 커플링 값을 계산하여 적용한다.

도 6은 도 4의 프로토 타입의 대역통과 여파기의 채널주파수 특성을 나타내는 도면이다. 즉 도 4의 구조를 2차원 전자파 시뮬레이터로 실험한 주파수 응답으로서, 여기서 S11은 입력포트에서 입력포트로 나가는 신호 즉 반사계수를 나타내며, S21은 입력포트에서 출력포트로 나가는 신호 투과계수를 나타내는데 도면을 보면 1GHz, 2.4GHz 에서 S21 은 0db 를 나타내고 S11은 -15db를 나타낸다. 이는 반사파가 -15db로 아주 적고 전송파가 0db로 대부분의 신호가 잘 전송되는 것을 의미하며, 도시된 도면의 주파수 응답은 2개의 대역에서 에너지를 잘 전송하는, 즉 이중대역 대역통과 여파기를 나타내는 것이다.

도 7은 인버터 이론을 이용한 이중대역 형성의 개념도로서, 도 3에 도시된 잠자리 모양의 대칭 공진기의 구조를 개념적으로 도시하는 도면이다. 즉, 사각의 점선 내에 있는 인덕터들은 공진기의 전송 선로를 의미하며 사각형의 점선 옆의 실선의 사각형은 각각의 공진기를 의미한다.

도 8a, 8b는 도 7의 개념도에 따른 인버터 값 변화에 의한 각각의 주파수 응답을 나타내는 도면으로서, 도 7에 도시된 3개의 공진기의 주파수 응답결과를 고정해 놓은 상태에서 인버터로 작용하는 인덕터 값들을 각각 0 nH, 2 nH, 2.5 nH, 3 nH, 3.3 nH로 변화시킴에 따라 변하는 주파수 응답을 표시한 것이다. 즉 도 8a, 8b에 도시된 바와 같이 인덕터 값을 상기와 같이 변화해도 2.4GHz 부분에서 신호가 잘 통과하는 특성을 보여주고 있다.

도 9는 본 발명에 의해 발명된 여파기의 주파수응답을 나타내는 도면으로서, 종래의 880MHz용 평행결합 선로 대역통과 여파기의 병렬연결형과 비교하여도 현저한 크기의 소형화(60% 이하의 크기감소)를 이룰 수 있으며, 또한 인버터를 통하여 불요 공진특성을 조절하여 두 통과 대역 사이 저지 대역의 격리특성이 개선되었음을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 이중대역 대역통과 여파기의 메타재질의 CRLH 0차 공진 특성을 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 이중대역 대역통과 여파기의 메타재질의 CRLH 0차 공진 특성을 굴절률 및 유효 임피던스로 나타내는 그래프, 도 12a, 12b는 본 발명에 따른 대역통과 여파기의 제작된 모습과 결과를 나타내는 도면이다. 도시된 도 10과 11에서는 CRLH 대역통과 여파기의 메타재질(Metamaterial)특성을 확인하고자 한다. 상기 메타재질(Metamaterial)특성을 확인하는 방법은 여러 가지가 있는데 본 발명에서는 대역통과 여파기의 굴절률(Refractive Index)과 유효 임피던스(Effective Impedance)를 통하여 확인하는 것이다. 즉 통과 대역은 0차 공진 특성을 기초로 설계되었는데 굴절률 0인 지점과 일치하며, 굴절률 0을 전후로 하여 음의 굴절률은 왼손 전파법칙(LH)을, 양의 굴절률은 오른손 전파법칙(RH)영역을 나타내며 본 발명의 0차 공진 설계이론을 잘 설명해 준다.

본 발명에서는 인버터에 의한 결합이론을 통하여 GSM과 ISM대역에서 동작하는 이중대역 CRLH 대역 대역통과 여파기를 발명하였다. 상기 여파기(Filter)의 전체크기를 소형화시키기 위하여 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한 (Compsite Right-handed Left-handed) 전송선로 구조의 공진기를 적용하여 공진기의 크기를 서브파장길이(subwavelength)로 초소형화시켰다. 기본적인 메타 재질(Metamaterial)특성 이외에 인버터 이론을 추가 및 적용하여 중심주파수와 첫 번째 고조파(harmonic) 사이의 저지 대역 특성을 향상시켰다.

본 발명은 다중 대역 무선 통신 시스템 초소형 이중대역 대역통과 여파기에 사용될 수 있다.

Claims (5)

1. 초소형 이중대역 대역통과 여파기에 있어서,
   상기 여파기는 메타재질 조건을 만족하는 복수의 CRLH 공진기를 포함하며,
   강 결합용 인터 디지틀 및 계단형 구조인 것을 특징으로 하는 초소형 이중대역 대역통과 여파기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 메타재질 조건을 만족하는 이중대역 CRLH 공진기는 인덕턴스용 스터브를 접지면과 연락하여 단락을 유도하는 구조인 via를 이용한 쇼티드 스터브(shorted stub) 구조인 것을 특징으로 하는 초소형 이중대역 대역통과 여파기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 여파기는 CRLH 간의 인버터 구조의 결합을 용이하게 하도록 잠자리모양의 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 초소형 이중대역 대역통과 여파기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 여파기의 결합구조는 CRLH 공진기 간의 결합을 유도하기 위한 인덕턴스형 인버터 구조인 것을 특징으로 하는 초소형 이중대역 대역통과 여파기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 인덕턴스형 인버터 구조는 포트와 공진기 간의 결합구조 및 공진기와 공진기 간의 결합 구조인 것을 특징으로 하는 초소형 이중대역 대역통과 여파기.

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