KR20120037628A - Differential mode balanced band pass filter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신호의 송수신단에서 동작하는 회로 내에서 사용되는 대역통과 여파기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 Composite Right/Left-Handed (CRLH) 전송선로 단위 셀을 이용하여 차동 모드 평형 대역통과 여파기에 관한 것이다. The present invention relates to a bandpass filter used in a circuit operating at a transmitting and receiving end of a signal, and more particularly, to a differential mode balanced bandpass filter using a composite right / left-handed (CRLH) transmission line unit cell. will be.
본 발명이 속한 기술은 정보 통신 신호 처리 분야에 속한 기술로써 부분으로 중요한 기술적 회로이며, 그 용도는 통신 신호의 통과 또는 저지에 이용된다. 수 GHz 이상의 주파수에서 집중소자를 사용한 여파기 설계는 구현하기가 어렵기 때문에 마이크로스트립 또는 스트립 라인으로 구성되며, 이렇게 설계된 여파기는 대역통과 특성을 정교하게 제어할 때 사용된다. 마이크로스트립 라인을 사용한 여파기 형태는 크게 선로 상의 커플링, 선로 상의 공진, 다중 임피던스 연결의 원리를 이용하여 구현하게 된다. 이러한 종래의 여파기들은 일반적으로 λ/4 (λ는 관내 파장임)의 정수 배의 크기로 설계되어 있으며, 이것을 이용하여 개선된 차단 특성을 얻기 위하여 여러 단으로 구성하여야 하는데 그러므로 인하여 크기가 커지고 또한, 주기적 구조가 아니므로 설계가 어려운 단점이 있다.The technology to which the present invention belongs is a technology that is partly important as a technology belonging to the field of information communication signal processing, and its use is used for passing or stopping communication signals. Filter designs using concentrators at frequencies above a few GHz are difficult to implement and are composed of microstrip or strip lines, which are used to finely control bandpass characteristics. The filter type using the microstrip line is largely implemented using the principle of coupling on line, resonance on line, and multiple impedance connection. These conventional filters are generally designed to be an integer multiple of λ / 4 (λ is the wavelength in the tube), and must be configured in several stages to obtain improved blocking characteristics using them. It is not a periodic structure, so it is difficult to design.
본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, CRLH 전송선로 단위 셀을 다수 단으로 구성하기 위해 직렬로 연결하고, 단락 스터브의 길이를 적절히 조절함으로써 차동 모드에서 동작하는 차동 모드 평형 대역통과 여파기를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to improve the above-mentioned conventional problems, and is connected in series to configure CRLH transmission line unit cells in multiple stages, and differential mode equilibrium operating in a differential mode by appropriately adjusting the length of a short stub. The purpose is to provide a bandpass filter.
본 발명에 따른 차동 모드 평형 대역 통과 여파기는 고역통과 특성이 있는 Left-Handed (LH) 전송선로와 저역통과 특성이 있는 Right-Handed (RH) 전송선로가 결합된 차동 모드에서 동작하는 평형 대역통과 특성을 갖는 차동 모드 CRLH 전송선로 단위 셀을 다수 개 직렬 연결하여 구성하는 것을 특징으로 한다.The differential mode balanced bandpass filter according to the present invention operates in a differential mode in which a left-handed (LH) transmission line having a high pass characteristic and a right-handed (RH) transmission line having a low pass characteristic are combined. A plurality of differential mode CRLH transmission line unit cells are connected in series.
본 발명은 종래의 대역통과 여파기가 갖고 있는 설계 방식과 다른 방법이 있다. 본 발명의 여파기는 고역통과 특성이 있는 Left-Handed (LH) 전송선로와 저역통과 특성이 있는 Right-Handed (RH) 전송선로가 결합된 차동 모드에서 동작하는 평형 대역통과 특성이 있는 CRLH 전송선로의 단위 셀을 구현하였고, 상기 단위 셀을 원하는 개수만큼 직렬로 연결하는 구조이기 때문에 여파기 설계가 쉽고, 단순히 직렬로 구조를 연결함으로써 스커트 특성을 개선할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 차동 모드 평형 CRLH 전송선로 구조를 선택적으로 사용하였기 때문에 대역통과 특성은 동일하면서 평형 단위 셀을 이용한 간편한 설계 방법으로, 여파기의 크기가 λ/4 (λ는 관내 파장임)의 정수 배가 아닌 작은 크기를 갖는 기술적 과제를 제안한다.The present invention is different from the conventional design scheme of the bandpass filter. The filter of the present invention is a balanced bandpass CRLH transmission line operating in a differential mode in which a left-handed (LH) transmission line having a high pass characteristic and a right-handed (RH) transmission line having a low pass characteristic are combined. The unit cell is implemented, and since the unit cell is connected in series to a desired number in series, it is easy to design a filter, and there is an advantage that the skirt characteristic can be improved by simply connecting the structure in series. In addition, since the present invention selectively uses a differential mode balanced CRLH transmission line structure, the bandpass characteristics are the same, and a simple design method using a balanced unit cell is provided. The filter has an integer of λ / 4 (λ is a wavelength in the tube). We propose a technical task with a small size, not a ship.
본 발명에서 추구하는 기술적 문제해결은 본 발명의 구조인 차동 모드 평형 CRLH 전송선로의 단위 셀을 이용한 구조로 설계를 하면 하나의 평형 단위 셀의 소자 값들만 구하여 차동 모드 평형 대역통과 여파기를 설계할 수 있으며, 즉, 평형 CRLH 전송선로 단위 셀을 이용하여 기존의 대역 통과 여파기의 특성을 그대로 얻으면서, 차동 모드에서 동작하는 평형 여파기를 구현할 수 있다는 것이다. 또한 기존 CRLH 전송선로 단위 셀을 다수 단으로 직렬로 연결하여, 인터디지털 커패시터의 간격 또는 단락 스터브의 길이 등을 적절히 조절함으로써 차동 모드에서 동작하는 더 좋은 대역 외 차단 개선 특성을 가진 평형 대역통과 여파기를 설계할 수 있다.The technical problem solved in the present invention is designed by using the unit cell of the differential mode balanced CRLH transmission line, which is the structure of the present invention, so that the differential mode balanced bandpass filter can be designed by obtaining only the device values of one balanced unit cell. That is, the balanced CRLH transmission line unit cell can be used to realize a balanced filter operating in a differential mode while still obtaining the characteristics of the existing band pass filter. In addition, by connecting the existing CRLH transmission line unit cells in series, the balanced bandpass filter with better out-of-band cut-off characteristics operating in the differential mode can be adjusted by appropriately adjusting the interval of the interdigital capacitor or the length of the short stub. Can be designed.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CRLH 전송선로의 단위 셀 등가회로이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 평형 CRLH 전송선로 단위 셀 등가회로이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차동 모드 평형 CRLH 전송선로 단위 셀의 분산표이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동 모드 평형 CRLH 전송선로의 S-파라미터 특성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차동 모드 평형 CRLH 전송선로 단위 셀의 직렬 연결한 대역통과 여파기를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차동 모드 평형 CRLH 전송선로 단위 셀을 이용한 평형 대역통과 여파기의 예를 나타낸 도면이다.1 is a unit cell equivalent circuit of a CRLH transmission line according to an embodiment of the present invention.
2 is a unit cell equivalent circuit of a balanced CRLH transmission line according to an embodiment of the present invention.
3 is a distribution table of unit cell of a differential mode balanced CRLH transmission line according to an embodiment of the present invention.
4 is an S-parameter characteristic diagram of a differential mode balanced CRLH transmission line according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a band pass filter connected in series with a unit cell of a differential mode balanced CRLH transmission line according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of a balanced bandpass filter using a unit cell of a differential mode balanced CRLH transmission line according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 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. 그리고 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intentions or customs of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
본 발명에서는 도 1에 나타난 것과 같이 고역통과 특성이 있는 Left-Handed (LH) 전송선로와 저역통과 특성이 있는 Right-Handed (RH) 전송선로가 결합된 대역통과 특성이 있는 CRLH 전송선로의 단위 셀 구조를 이용하였다. 이 단위 셀은 고주파 특성을 나타내는 Left-Handed (LH) 전송선로의 구현 시 생기는 기생 성분에 의하여 CRLH 전송선로가 만들어지는 것을 이용하여 여파기를 구현하고자 한다.In the present invention, as shown in FIG. 1, a unit cell of a CRLH transmission line having a bandpass characteristic in which a Left-Handed (LH) transmission line having a high pass characteristic and a Right-Handed (RH) transmission line having a low pass characteristic are combined The structure was used. This unit cell is to implement the filter using the CRLH transmission line is made by the parasitic components generated during the implementation of the Left-Handed (LH) transmission line showing high frequency characteristics.
도 1에서 CRLH 전송선로의 단위 셀에서 직렬 공진 주파수 fsc, 병렬 공진 주파수 fsh, 천이 주파수 f0와, RH 특성 임피던스 ZRH, 및 LH 특성 임피던스 ZLH를 다음과 같은 수학식 1 에서 5로 표현할 수 있다.In FIG. 1, the series resonance frequency f sc , the parallel resonance frequency f sh , the transition frequency f 0 , the RH characteristic impedance Z RH , and the LH characteristic impedance Z LH in the unit cell of the CRLH transmission line are represented by
만일 fsc = fsh 조건, 즉 직렬 공진 주파수 fsc와 병렬 공진 주파수 fsh가 동일하다면 이것을 균형 CRLH (Balanced CRLH) 전송선로라고 언급하며, 직렬과 병렬 공진 주파수가 다른 fsc ≠ fsh조건일 경우에는 불균형 CRLH (Unbalanced CRLH) 전송선로 구조라고 언급한다. CRLH 전송선로는 인공적인 주기적인 구조이기 때문에 그것의 분산 그래프는 단위 셀의 주기적인 경계조건을 적용하여 다음 수학식 6과 같이 표현된다.If f sc = f sh , that is, the series resonant frequency f sc is equal to the parallel resonant frequency f sh , it is referred to as a balanced CRLH transmission line.If the series and parallel resonant frequencies are different, f sc ≠ f sh. In this case, it is referred to as unbalanced CRLH transmission line structure. Since the CRLH transmission line is an artificial periodic structure, its dispersion graph is expressed by Equation 6 by applying periodic boundary conditions of the unit cell.
도 2의 평형 CRLH 전송선로 단위 셀 구조는 도 1의 CRLH 전송선로 단위 셀의 두 단락 스터브를 상호 연결하여 구성하였다. 차동 모드의 평형 CRLH 전송선로의 단위 셀은 기존의 CRLH 전송선로의 단위 셀 두 개를 이용하여 구성되는데 단락 스터브를 서로 연결하여 차동 모드에서 동작하도록 단락 스터브의 길이를 조절하여 만든다. 이 차동 모드 단위 셀은 집중소자로 나타낸 등가회로에서 직렬 소자 값은 인터디지털 커패시터와 그것을 구현함으로써 발생하게 되는 기생 인덕터 성분을 이용하여 나타내었고, 병렬 소자 값은 단락 스터브와 그것을 구현함으로서 발생하는 기생 커패시터 성분으로 표현되는데, 차동 모드에서는 정상적인 CRLH 단위 셀로 동작하지만 공통모드에서는 CRLH 단위 셀로 동작하지 않는 특성을 이용하는 것이다. 이 구조는 차동 모드에서는 두 CRLH 전송선로 단위 셀의 연결부분이 단락되어 CRLH 전송선로로 동작하지만, 공통모드에서는 두 단위 셀의 연결부분이 단선되어 정상적인 CRLH 전송선로로 동작하지 않는 특성을 이용한 것이다. 또한, 앞의 수학적인 수식을 이용하여 만든 차동 모드에서의 분산표는 도 3에 나타내었다. 이 분산표에서는 불균형 CRLH 전송선로가 차동 모드에서는 정상적인 CRLH 전송선로의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. The balanced CRLH transmission line unit cell structure of FIG. 2 is constructed by interconnecting two short stubs of the CRLH transmission line unit cell of FIG. 1. The unit cell of the balanced CRLH transmission line in the differential mode is formed by using two unit cells of the existing CRLH transmission line. The shorting stub is connected to each other to adjust the length of the shorting stub to operate in the differential mode. In the equivalent circuit represented by the lumped element, the series element value is represented by the interdigital capacitor and the parasitic inductor component generated by implementing it, and the parallel element value is the short stub and the parasitic capacitor generated by implementing it. It is expressed as a component, which uses a characteristic that operates in a normal CRLH unit cell in a differential mode but does not operate in a CRLH unit cell in a common mode. This structure uses the characteristic that the connection part of two CRLH transmission line unit cells is shorted in the differential mode to operate as a CRLH transmission line, but in common mode, the connection part of the two unit cells is disconnected and thus does not operate as a normal CRLH transmission line. In addition, the dispersion table in the differential mode made using the above mathematical formula is shown in FIG. It can be seen from this dispersion table that an unbalanced CRLH transmission line exhibits the characteristics of a normal CRLH transmission line in differential mode.
도 2의 등가회로로 나타내는 차동 모드 평형 CRLH 전송선로 단위 셀을 여러 단 연결하게 되면 광대역의 대역통과 특성을 얻을 수 있으며, 이것의 S-파라미터 특성을 나타낸 것이 도 4이다. 결국 이것은 차동 모드에서 동작하는 평형 대역통과 여파기의 특성을 나타낸 것이다.When multiple units of the differential mode balanced CRLH transmission line unit cells shown in the equivalent circuit of FIG. 2 are connected, wide band pass characteristics can be obtained, and FIG. 4 shows the S-parameter characteristics thereof. This, in turn, is characteristic of a balanced bandpass filter operating in differential mode.
도 5는 위의 도 2의 등가회로로 구성된 차동 모드 평형 단위 셀을 직렬로 N개 연결하여 구성한 대역통과 여파기를 나타낸 것이다. 또, 본 발명에서는 등가회로에서 집중소자로 구성된 CRLH 전송선로 단위 셀을 분포소자 즉 마이크로스트립을 이용한 PCB형태로 구현하기 위해서 단위 셀의 직렬 인덕터(LR)와 직렬 커패시터 (CL)는 인터디지털 커패시터로 그리고 병렬 인덕터(LL)와 병렬 커패시터(CR)는 단락 스터브로 구현할 수 있다. 이와 같은 형태로 차동 모드 평형 대역통과 여파기를 구현한 예제는 도 6에 나타내었다. FIG. 5 illustrates a bandpass filter configured by connecting N differential mode balance unit cells configured in the equivalent circuit of FIG. 2 in series. In addition, in the present invention, in order to implement a CRLH transmission line unit cell composed of lumped elements in an equivalent circuit in the form of a PCB using a distribution element, that is, a microstrip, the series inductor L R and the series capacitor C L of the unit cell are interdigital. Capacitors and parallel inductors (L L ) and parallel capacitors (C R ) can be implemented with short stubs. An example of implementing the differential mode balanced bandpass filter in this form is shown in FIG. 6.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the present invention has been described as a specific preferred embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the above-described embodiments without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Anyone with a variety of variations will be possible.
210: 차동 모드 CRLH 전송선로 단위 셀]
LR: 직렬 인덕터
CL: 직렬 커패시터
LL: 병렬 인덕터
CR: 병렬 커패시터210: cell of differential mode CRLH transmission line]
L R : Series Inductor
C L : series capacitor
L L : Parallel Inductor
C R : Parallel Capacitor
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