KR20110118280A - 개방 스터브가 삽입된 비균일 인터디지틀 결합 선로를 가지는 첨소형 0차 공진 메타메트리얼 구조의 초광대역 하반대역통과 여파기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초광대역(Ultra-wideband, UWB) 송수신기에 적용될 수 있는 하반대역(Lower half-band)용 대역통과여파기(Bandpass filter)에 관한 것으로, 특히, 오른손(right-Handed) 전송선에 왼손(Left-Handed) 특성을 가미한 복합 구조를 이용하여 설계한 대역통과 여파기에 관한 것으로서, 초소형 대역통과여파기(Bandpass filter)를 설계하기 위해 개방형 스터브(Open Stub)가 들어간 비정형(Non-Uniform) 인터디지틀 결합선로(Interdigital Coupled Lines) 기반의 오른손 및 왼손 전파 현상을 결합한 전송선로(CRLH)의 0차 공진기의 무한파장 특성을 이용하고, 공진기 외부에는 노치를 장착하여 스펙에 맞는 대역통과 특성을 구현한 것이다.

Description

개방 스터브가 삽입된 비균일 인터디지틀 결합 선로를 가지는 첨소형 0차 공진 메타메트리얼 구조의 초광대역 하반대역통과 여파기{Miniaturized Zero-Order-Resonant Metamaterial Bandpass Filter for the UWB Lower-Half-Band with Open-Stub Inserted Non-Uniform Interdigital Coupled Lines}

본 발명은 초광대역 송수신기에 적용될 수 있는 하반대역 용 대역통과 여파기에 관한 것으로, 특히, 오른손 전송 특성에 왼손 전송 특성을 가미한 복합 구조를 이용하여 종래의 여파기 설계와 비교하여 작은 면적을 차지하면서도 임피던스와 길이만을 이용하여 등가 회로와 물리적 구현결과의 차이를 최소화할 수 있는 개방 스터브가 삽입된 비균일 인터디지틀 결합 선로를 가지는 첨소형 0차 공진 메타 메트리얼 구조를 가지는 초광대역 하반대역통과 여파기에 관한 것이다. 여기서 개방 스터브는 종래의 인터디지털 모양에 인위적으로 스터브를 생성한 것으로 상기 개방형 스터브를 형성함으로써 좀더 초광대역 하반대역에 가까운 대역을 만들고 또한 저지 대역을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 초고주파(RF, Microwave/Millimeter-wave) 영역 중 초광대역 시스템 구성의 핵심부품인 대역 통과 여파기(Bandpass filter, BPF)의 설계부분에 속한다. 상기 대역 통과 여파기는 특정범위 주파수에서 존재하는 신호는 통과시키고 이 범위를 벗어나는 신호는 제거하는 회로로서, 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이 분야의 종래기술을 설명하기 위해 도 1을 참조한다. 도 1의 구조는 산업계에서 가장 널리 사용되는 대역 통과 여파기의 하나인 평행결합 선로 여파기이다.

상기와 같은 평행결합 선로 여파기의 설계이론은 잘 알려져 있으며, 통상 마이크로스트립 공정을 이용하기 때문에 제작이 손쉽다. 그러나 스펙에 따라 차수가 6차로 정해진 경우, 설계용 등가 회로에서는 반파장 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. 그리고 도 1의 구조같은 평행결합선로 여파기의 경우는 먼저 크기의 제약이 너무 크기 때문에 다른 시스템과 같이 사용하기가 쉽지 않다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 기존의 대역통과 여파기의 단점 극복을 위해 오른손(Right-Handed) 전송선에 왼손(Left-Handed) 전송 특성을 가미한 복합구조를 이용하여 설계하였다. 대역통과 여파기의 언발란스(unbalanced)형 복합구조의 0차 공진기의 공진점을 사용하고 공진기간의 결합을 간편한 인버터 이론으로써 구현하고, 평행결합 선로형과 같은 기존의 대역통과 여파기보다 소형화되는 효과를 얻는다.

본 발명은 초광대역(Ultra-wideband, UWB) 송수신기에 적용될 수 있는 하반대역(Lower half-band)용 대역통과여파기(Bandpass filter)이다. 메타메트리얼(Metamaterial) 전송선을 이용하여 기존의 여파기 설계와 비교해 작은 면적을 차지하면서도 임피던스와 길이만을 이용하여 등가 회로와 물리적 구현결과의 차이가 최소화하는 목적을 가진다. 또한, 고가의 칩 커패시터, 인덕터를 사용하는 여파기와 비슷한 크기의 여파기로서, 제조 비용절감의 목적도 가진다.

본 발명의 과제는 도 2과 같은 0차 공진기를 사용하고 공진기들 간의 커패시턴스를 이용한 결합을 이용하는 평행결합선로 대역 통과 여파기의 단점인 차수에 따라 전체크기의 증가와 인접 대역에 불요 고조파 발생하는 것이 불가피하게 되는 점을 새로운 기법으로 극복하는 것이 목적이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 대역통과 특성을 위한 비대칭/비균일 인터디지틀 결합선로(interdigital coupled lines) 0차 공진 메타재질구조 대역통과여파기는 종래의 평행결합선로 대역통과 여파기보다 소형이면서 고조파 억압특성이 우수한 특성을 가진다.

본 발명의 초 광대역 송수신기의 대역통과 특성을 위해 비대칭/ 비균일 인터디지틀 결합선로 0차 공진 메타재질 구조 대역통과 여파기에서, 상기 대역통과 여파기에 개방형 스터브를 삽입한 것을 특징으로한다.

또한, 본 발명의 상기 초광대역 송수신기의 저지 대역 확보 및 대역 가장자리결정을 위해서 구현용 비균일 인터디지틀 결합선로 기반 공진기 외부에 노치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 대역통과 여파 기의 구조는 오른손 전송선에 왼손 특성을 가미한 복합 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 대역통과 여파기는 상기 개방형 스터브를 삽입하여 부품크기 축소와 설계 오차를 줄여 소형화한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반파 장 공진기를 설계의 기본으로 사용하는 종래의 대역통과 여파기에 비해 양호한 대역 내 주파수 특성 및 대역 외 격리(isolation)특성을 가지며 종래의 여파기의 단점인 불요고조파를 제거하고 대역 통과 여파기 평행결합선로의 크기를 반 이상 줄여 비용절감의 효과가 있다.

도 1은 종래 기술의 대역통과 여파기를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 부품크기 축소와 설계 오차를 줄이는 초광대역 하반대역용 개방형 스터브(Open stub)를 이용한 구조 채널 대역통과 여파기를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 대역통과 여파기의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 여파기의 분산도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 여파기의 전계 방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 여파기의 전계 분포를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 여파기의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 여파기의 크기를 보여주기 위해 동전과 비교하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 여파기의 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 초광대역 하반대역(UWB Lowerband) 대역통과 여파기 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

본 구조에서는 입력포트와 출력포트가 RF전류로 분기되는 인터 디지틀(Interdigital)을 상부경로(도 2의 102~103)와 하부경로(도 2의 108~109)의 전송선로들이 초광대역 하반대역(UWB Lowerband)의 대역을 형성하고 있다. 여기에 두 개의 개방형 스터브(Open stub) (도 2의 106~107)가 초광대역 하반대역(UWB Lowerband)의 스커트 특성을 좋게 만들어 준다. 도 2의 가장 아래 부분의 스터브(110~111)는 단락핀(via)과 결합하여 초광대역 하반대역의 삽입 손실(Insertion Loss)을 향상시킨다. 마지막으로 노치(도 2의 104~105)를 결합하여 초광대역 하반대역 이후의 저지 대역을 향상시켜준다.

도 2는 본 발명에 의한 부품크기 축소와 설계 오차를 줄이는 초광대역 하반대역용 개방형 스터브(Open stub)를 이용한 구조 채널 대역통과 여파기를 도시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 도 2의 두 개의 포트(Port)(100~102) 경우에도 위치를 조정함으로써 더 향상된 초광대역 하반대역(UWB Lowerband)의 대역통과 여파기(Bandpass filter)를 구현할 수 있다. 상기 개방형 스터브(도 2의 106~107)의 경우에는 도시된 바와 같이 길이와 두께는 같지만 위치가 서로 다르다. 노치(Notch)(도 2의 104~105) 경우에는 길이와 두께 모두가 같은 것이다. 하지만, 소형화를 위해 도시된 바와 같이 ㄱ 자 형태로 구부린 것이다.

도 3은 도 2의 본 발명에 따른 여파기(Filter)의 등가 회로를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 여파기(Filter)의 분산도를 보여주고 있다. 도시된 바와 같이 왼손 전송법칙(Left-Handed) 과 오른손 전송법칙(Right-Handed)이 결합된 특성, β=0,즉, 전파상수가 0이 되는 부분이 설계 주파수인 4GHz 에 근접한 지점임을 분산도를 통해 확인할 수가 있다.

도 5의 경우에는 본 발명의 여파기의 전계 방향을 나타내고 있다. 상기 전계 방향은 메타메터리얼(Metamaterial)의 특성인 전계 방향이 모두 한 방향을 향하는 것을 확인할 수가 있다.

도 6는 본 발명에 따른 여파기의 전계 분포를 보여 주고 있다.

도 7는 본 발명에 따른 여파기(Filter)의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

상기의 시뮬레이션을 사용한 초광대역 하반대역(UWB Lowerband) 대역통과 여파기(중심주파수는 3.0 GHz ~ 4.8 GHz 이며 2.8 GHz의 폭을 가지며 삽입손실 < 1dB, 반사손실< -15 dB )의 결과는 도 7에 나타나 있다. 모두 스펙(중심 주파수, 대역폭, 삽입손실, 반사손실)을 잘 만족하고 있으며, 거의 파장*4의 길이를 갖는 도 1의 구조에 비해 훨씬 짧은 파장*1.3(< 파장*2)의 길이를 가지므로 종래의 여파기에 비해 50% 이상의 크기를 축소할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실제 여파기(Filter)의 크기를 나타내고 있다.

도시된 바와 같이 본 발명을 구현하므로서 여파기의 크기를 비교하기 위해 배치한 10센트 동전과 비교할 때 실제 여파기의 크기가 상당히 줄어든 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명 여파기의 주파수 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 나타내고 있다.

본 발명은 소형화, 고성능을 요구하는 전자파 통신 시스템의 부품 소자에 응용될 수 있다.

Claims (4)

1. 초 광대역 송수신기의 대역통과 특성을 위해 비대칭/ 비균일 인터디지틀 결합선로 0차 공진 메타재질 구조 대역통과 여파기에 있어서,
   상기 대역통과 여파기에 개방형 스터브를 삽입한 것을 특징으로 하는 비대칭/비균일 인터디지틀 결합선로(interdigital coupled lines) 0차 공진 메타 재질 구조 대역 통과 여파기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 초광대역 송수신기의 저지 대역 확보 및 대역 가장자리 결정을 위해서 구현용 비균일 인터디지틀 결합선로 기반 공진기의 외부에 노치를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭/비균일 인터디지틀 결합선로 0차 공진 메타 재질 구조 대역통과 여파기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 대역 통과 여파기의 구조는 오른손 전송선에 왼손 특성을 가미한 복합구조인 것을 특징으로 하는 비대칭/비균일 인터디지틀 결합선로 0차 공진 메타 재질 구조 대역통과 여파기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 개방형 스터브를 삽입하여 부품크기 축소와 설계 오차를 줄여 소형화한 것을 특징으로 하는 비대칭/비균일 인터디지틀 결합선로 0차 공진 메타 재질 구조 대역통과 여파기.

Images